Nmero 129

PERFIL DO PROFISSIONAL DE AUTOMAO IPV4 E IPV6 NA AUTOMAO NORMA IEC 61850

Jos Manoel Fernandes, Diretor de Publicaes da ISA Distrito 4.

ENTREVISTA

Cataclismos

REPORTAGEMInTech 129 1

2

InTech 129

06

Nmero 129

27

CAPA

06 NORMA ISA 101IHM: UMA NOVA NORMA ISA ENTRA NA FASE FINAL DE ELABORAO Roberto Werneck, Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro, e Maurice Wilkins, Yokogawa IA.

ARTIGO

10 IEC 61850USO DO PROTOCOLO IEC 61850 PARA A IMPLEMENTAO DE SISTEMAS INTEGRADOS DE CONTROLE DE PROCESSO E ENERGIA Carlos Fernando Albuquerque, Siemens Brasil.

48

ARTIGO

21 IEC 61850IMPLEMENTAO E UTILIZAO DO PROTOCOLO IEC 61850 EM SISTEMAS SCADA Marcelo Barbosa Salvador e Rubem Guimares Netto Dias, Elipse Software.

ARTIGO

27 IPV4 E IPV6 NA AUTOMAOO FIM DO IPV4 EM FEVEREIRO E O FUTURO DO IPV6 NA AUTOMAO Leandro Pfleger de Aguiar, e Marcelo Ibrahim Soares, Chemtech A Siemens Company.

ARTIGO

33 FOTOLUMINISCNCIASEES

MERCADO

CALENDRIO NEWSLETTER TECNOLOGIA EMPRESAS PRODUTOS

04 54 60 62 65

FILMES FOTOLUMINESCENTES APLICVEIS AO SENSORIAMENTO DE OXIGNIO E PRESSO AERODINMICA Keth Rousbergue Maciel de Matos, Servio Nacional de Aprendizagem Industrial de So Paulo; Victor Fernandes Borges, Centro de Capacitao e Pesquisa em Meio Ambiente da Universidade de So Paulo; Mauro Sergio Braga, Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia de So Paulo; Francisco Javier Ramirez Fernandez, Laboratrio de Microeletrnica da Escola Politcnica da Universidade de So Paulo; e Walter Jaimes Salcedo, Escola Politcnica da Universidade de So Paulo.

47 PROGNSTICOS 2011ENTREVISTA

OS PROGNSTICOS DE JIM PINTO PARA 2011 Jim Pinto, Revista Automation World.

REPORTAGEM

39 PROFISSIONAL DE AUTOMAOPERFIL DO PROFISSIONAL DE AUTOMAO: SISTEMAS OU CAMPO? EIS A QUESTO. Slvia Bruin Pereira, InTech Amrica do Sul.

48 JOS MANOEL FERNANDESDIRETOR DE PUBLICAES DA ISA DISTRITO 4 Slvia Bruin Pereira, InTech Amrica do Sul.

REPORTAGEM

EXCLUSIVO

51 CATACLISMOS

42 ARC ADVISORY GROUPOS FORNECEDORES DE AUTOMAO MANTIVERAM UM BOM RITMO NO TERCEIRO TRIMESTRE DE 2010 Avery Allen, ARC Advisory Group.

O FIM DOS TEMPOS? Kiyomori Mori, jornalista freelance.

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calendrio

2011Abril4 a 8 FEIRA DE HANNOVER Hannover, Alemanha www.hannovermesse.de 6 a 8 EUROPEAN ROBOTICS FORUM 2011 Vsters, Sucia www.eurobotics-project.eu 10 a 14 56th ISA ANALYSIS DIVISION SYMPOSIUM League City, EUA www.isa.org 13 e 14 2011 ISA SAFETY & SECURITY SYMPOSIUM League City, EUA www.isa.org 27 a 30 CSIA 2011 CONTROL SYSTEM INTEGRATORS ASSOCIATION CONFERENCE Orlando, EUA www.controlsys.org 14 a 17 IMTEC 2011 - MICRO-ANALYSIS AND ONLINE ANALYSIS Lyon, Frana www.imtec-expo.com 20 a 24 57th INTERNATIONAL INSTRUMENTATION SYMPOSIUM St. Louis, EUA www.isa.org 22 e 23 6th ANNUAL WATER AND WASTEWATER SYMPOSIUM St. Louis, EUA www.isa.org

Agosto2 a 4 NI WEEK 2011 WORLDWIDE GRAPHICAL SYSTEM DESIGN CONFERENCE AND EXHIBITION Austin, EUA www.ni.com/niweek 31 de agosto e 1 de setembro ISA SHOW ESPRITO SANTO 2011 X SEMINRIO E EXPOSIO DE INSTRUMENTAO, SISTEMAS, ELTRICA E AUTOMAO Vitria, Brasil www.isa-es.org.br

Maio7 a 9 AUTOMATION TECHNOLOGY EGYPT 0211 5th INTERNATIONAL INDUSTRIAL CONTROL & AUTOMATION TECHNOLOGY AND EXHIBITION AND CONFERENCE Cairo, Egito www.at.com.eg 10 a 12 ELECTRIC POWER CONFERENCE Rosemont, EUA www.electricpowerexpo.com 17 a 19 11th ANNUAL ISA FUGITIVE EMISSIONS-LDAR SYMPOSIUM New Orleans, EUA www.isa.org 23 a 25 NORTH AMERICAN SHARPENING THE TOOLS OF MANUFACTURING CONFERENCE Newark, EUA www.wbf.org

Setembro7 a 9 6th ANNUAL MARKETING & SALES SUMMIT St. Louis, EUA www.isa.org 19 a 21 MESA 2011 NORTH AMERICAN CONFERENCE Orlando, EUA www.conference.mesa.org 16 SEMINRIO TCNICO E EXPOSIO DE AUTOMAO ISA AUTOMATION WEEK 2011 SEO CURITIBA Curitiba, PR www.isacuritiba.org.br

Junho5 a 10 54th ANNUAL POWID SYMPOSIUM Charlotte, EUA www.isa.org 6 a 8 SENSORS EXPO & CONFERENCE Rosemont, EUA www.sensorsmag.com/sensors-expo 12 a 16 HONEYWELL USERS GROUP AMERICAS Phoenix, EUA www.honeywellusersgroup.com 14 e 15 PMMI 2011 SAFETY CONFERENCE Rosemont, EUA www.pmmi.org

Outubro17 a 20 ISA AUTOMATION WEEK 2011: TECHNOLOGY AND SOLUTIONS EVENT Mobile, EUA www.isa.org

Novembro8 a 10 BRAZIL AUTOMATION ISA 2011 15 CONGRESSO INTERNACIONAL E EXPOSIO DE AUTOMAO, SISTEMAS E INSTRUMENTAO So Paulo, Brasil www.isadistrito4.org

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InTech 129

editorial2011 RESPONSVELEsta a primeira edio da Revista InTech Amrica do Sul em um ano revestido de muita expectativa para os brasileiros, principalmente depois de algumas notcias alvissareiras. A principal delas foi o anncio de que a economia brasileira a stima maior do mundo, ultrapassando a Frana e o Reino Unido. O IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica) divulgou que o PIB (Produto Interno Bruto) no Pas subiu 7,5% em 2010. Esse crescimento significa que, entre os pases do G20 o Grupo dos 20, formado pelos ministros de finanas e chefes dos bancos centrais das 19 maiores economias do mundo mais a Unio Europeia , o Brasil o quinto maior, logo depois de China, ndia, Argentina e Turquia. Paralelamente, a produo industrial encerrou 2010 com um crescimento de 10,5%. Os setores com maiores ndices foram: veculos automotores (24,2%), mquinas e equipamentos (24,3%), metalurgia bsica (17,4%), indstrias extrativas (13,4%), outros produtos qumicos (10,2%), produtos de metal (23,4%), alimentos (4,4%), borracha e plstico (12,5%), e bebidas (11,2%). Na mesma linha otimista, o recente estudo global da Ernst & Young mostrou tambm crescimento no ndice de globalizao dos pases, o que deve continuar at 2014. O trabalho denominado Vencendo em um Mundo descentralizado A globalizao e a mudana nos negcios foi feito em conjunto com a Economist Intelligence Unit (EIU) e apresenta o Brasil na 46 posio no ranking de globalizao de 60 economias mundiais. So nmeros e posies que nos enchem de orgulho, ao mesmo tempo em que nos causam certa temeridade, pelo grau de responsabilidade que nos impingem para manter a continuidade desse crescimento. Nesse contexto, a automao ferramenta imprescindvel por razes mais do que bvias. Haja vista o aquecimento do mercado desde os primeiros dias do ano, mesmo com o carnaval em maro. A InTech Amrica do Sul, mais uma vez, presta a sua colaborao ao trazer nas pginas seguintes informao precisa e atual para seus leitores, fornecedores e usurios. Esta a nossa responsabilidade!

Slvia Bruin PereiraEditoraAvenida Ibirapuera, 2.120 16 andar sala 165 So Paulo, SP, Brasil CEP 04028-001 Telefone/Fax: 55 (11) 5053-7400 e-mail: info@isadistrito4.org.br site: www.isadistrito4.org

ISA - International Society of Automation / District 4 (South America)

DIRETORIA Vice-Presidente Jos Jorge de Albuquerque Ramos Vice-Presidente Eleito Nilson Rana Vice-Presidente Passado Jos Otvio Mattiazzo Diretor Tesoureiro Stfano Angioletti Diretor Secretrio Carlos Liboni Diretor de Membros e Sees Enio Viana Diretor de Eventos Augusto Passos Pereira Diretor de Marketing Roberto Magalhes Diretor de Educao, Treinamento e Desenvolvimento Profissional Claudio Makarovsky Diretor para a rea de Analtica Claudio de Almeida Diretor para rea de Celulose Jos Luiz de Almeida Diretor de Relaes Institucionais Marcus Coester Diretor de Relaes com ISA/RTP Nelson Ninin Diretor de Publicaes Jos Manoel Fernandes Diretor de Web Antonio Spadim Nominator Jos Otvio MattiazzoInTech Amrica do Sul uma publicao do Distrito 4 (Amrica do Sul) da ISA (International Society of Automation) ISSN 2177-8906

Livingstone Vilar Rodrigues (Consultor); Guilherme Rocha Lovisi (Bayer Material Science); Jim Aliperti (Honeywell do Brasil); Joo Miguel Bassa (Consultor); Jos Jorge de Albuquerque Ramos (Parker Hannifin); Jos Roberto Costa de Lacerda (Consultor); Lourival Salles Filho (Technip Brasil); Luiz Felipe Sinay (Construtora Queiroz Galvo); Luiz Henrique Lamarque (Consultor); Marco Antonio Ribeiro (T&C Treinamento e Consultoria); Mrio Hermes Rezende (Gerdau Aominas); Maurcio Kurcgant (ARC Advisory Group); Ronaldo Ribeiro (Celulose Nipo-Brasileira Cenibra); Rdiger Rpke (Consultor); Sidney Puosso da Cunha (UTC Engenharia); Stfano Angioletti (Schneider Electric); e Vitor S. Finkel (Contromation). GERNCIA EXECUTIVA Maria Helena Pires (helena@isadistrito4.org.br) COMERCIALIZAO Maria Helena Pires (helena@isadistrito4.org.br) Simone Arajo (simone@isadistrito4.org.br) PRODUO 2T Comunicao - www.2tcomunicacao.com.br FOTOS/ILUSTRAES www.istockphoto.com IMPRESSO Neoband Filiada A Revista InTech Amrica do Sul no se responsabiliza por conceitos emitidos em matrias e artigos assinados, e pela qualidade de imagens enviadas atravs de meio eletrnico para a publicao em pginas editoriais. Copyright 1997 pela ISA Services Inc. InTech, ISA e ISA logomarca so marcas registradas de International Society of Automation, do Escritrio de Marcas e Patentes dos Estados Unidos.

www.intechamericadosul.com.br

EDITORA CHEFE Slvia Bruin Pereira (silviapereira@intechamericadosul.com.br) MTb 11.065 - M.S. 5936 CONSELHO EDITORIAL Membros Ary de Souza Siqueira Jr. (Promin Engenharia); Augusto Passos Pereira (Pepperl+Fuchs); Constantino Seixas Filho (Accenture Automation & Industrial Solutions); David Jugend (Jugend Engenharia de Automao); David

InTech 129

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capa

NORMA ISA 101

IHM: UMA NOVA NORMA ISA ENTRA NA FASE FINAL DE ELABORAORoberto Werneck (werneckr@puc-rio.br), professor de Controle de Processos da Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro; e Maurice Wilkins, Vice-presidente Global de Marketing da Yokogawa IA.

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InTech 129

NORMA ISA 101

capa

A tecnologia de automao das operaes de unidades industriais, cada vez mais abrangente, fornece recursos que vo desde aspectos de segurana da operao at a otimizao econmica, buscando pontos de operao que minimizem o consumo de energia e que melhorem o rendimento do processo. Plantas industriais que conjugam vrias solues de automao, antes vistas como excees, so encontradas hoje em diversas reas de atividade tanto em produo contnua quanto em processos de manufatura. Todo este arsenal de solues, no entanto, precisa estar acessvel aos operadores, a quem cabe conduzir o processo industrial de forma segura e eficiente. O elo crtico dos sistemas de automao a interface entre estes equipamentos de automao e o pessoal de operao, normalmente conhecidos como IHM (tradicionalmente interface homem-mquina ou, na verso PC, interface humano-mquina). Um a b o a I HM d e v e pe r mit ir q u e os o p e r a d o re s ten h am c o n d i e s de monit or a r o p ro ce s s o e atu ar s em p re q u e sur ja m opor t unid a d e s d e m el h o ri a o u s i t u a e s a nor ma is que p re c i s e m d e interv en o h uma n a . A quantidade de informaes tratadas por um sistema de automao torna-se um desafio para o projeto da IHM: ao mesmo tempo em que o operador precisa ter acesso a qualquer informao caso ela seja necessria, a IHM deve apresentar somente a informao mais relevante para evitar que o operador seja sobrecarregado. Alm disso, a IHM deve apresentar de forma destacada as situaes anormais que requerem ao do operador. A necessidade de fornecer ferramentas familiares para os operadores foi reconhecida desde cedo. Quando os equipamentos de automao passaram a ser controlados por meio de monitores de vdeo, muitas interfaces tentaram repetir na tela a visualizao que existia nos painis analgicos de operao; um exemplo so os chamados faceplates nos primeiros SDCDs, que tentavam exibir a informao da mesma forma que os equipamentos de painel.

Com

a

evoluo

dos

sistemas,

as

ferramentas

disponveis para a criao de IHMs se sofisticaram, trazendo novas ideias que resultaram em experincias com graus diferentes de sucesso: algumas solues se mostraram extremamente eficientes, enquanto modismos como telas com nmero excessivo de cores e elementos grficos estticos tridimensionais que deixavam pouco espao para a informao dinmica relevante mostraram-se pouco produtivos. A e ISA organizou o comit da norma ao ISA-101 projeto,

para estabelecer normas, prticas recomendadas relatrios tcnicos referentes implementao, uso e gesto de IHMs em aplicaes de manufatura.

POR QUE UMA NORMA PARA IHM?Um dos participantes do comit da norma ISA 101, Dave Lee, nos apresentou uma interessante metfora para a situao atual ao comparar o mundo atual das IHMs ao tempo da conquista do velho oeste americano: cada rea, tal como pequenas cidades de fronteira, desenvolveu excelentes recursos, mas sem lei, cada qual criando sua prpria IHM. Os habitantes, ainda na metfora de Dave, no costumam sair de suas cidades e pensam que sua soluo a nica. A normatizao baseada nas melhores prticas permite um intercmbio para ordenar este caos e compartilhar as boas experincias. Mais do que isto, a normatizao permite maior facilidade na capacitao dos operadores, especialmente quando um operador experiente muda de empresa ou de rea. Alm disso, um conjunto de normas e prticas recomendadas facilitar o trabalho do pessoal envolvido no desenvolvimento de IHMs, permitindo a criao de bibliotecas padronizadas e resolvendo questes que hoje exigem um esforo de pesquisa que nem sempre pode ser encaixado nos cronogramas dos empreendimentos. Um exemplo o uso de cores nas telas - sem sombra de dvida o assunto que gerou as mais acaloradasInTech 129 7

capa

NORMA ISA 101

discusses dentro do comit da ISA-101. Os pontos discutidos incluram questes tais como: Existe a necessidade de um fundo neutro para as telas? Como definir esquemas de cores que permitam o uso seguro mesmo por pessoas portadoras de daltonismo? Existe (e qual seria) um nmero mximo de cores para uso em uma tela? Outro aspecto polmico o significado atribudo a algumas cores. Em algumas indstrias, a cor vermelha indica simplesmente um equipamento em funcionamento normal (ligado ou energizado); em outras, o vermelho reservado para situaes de risco (alarmes ou eventos crticos). Apesar de as telas serem percebidas como a principal janela para a interao entre o operador e o sistema de automao, outros aspectos devem tambm ser levados em conta. Um exemplo o som. Tradicionalmente, sinais sonoros so utilizados para anunciar situaes crticas, e podem ser associados a alarmes. Outros aspectos relevantes, incluindo ergonomia, tambm esto sendo tratados no contexto da norma ISA-101.

e bases de dados, telas de ajuda, interfaces com objetos configurveis e interfaces de configurao. A abordagem de ciclo de vida adotada pelo comit para a elaborao da norma ISA-101 reflete-se na organizao das diversas sesses em que se divide a norma: Geral Escopo Refernciasnormativas Definiodetermoseabreviaturas GestodesistemasdeIHM Fatoreshumanoseergonomia Tiposdetela(displays) Interaocomousurio Desempenho Documentaoetreinamento

ESTGIO ATUALA norma ISA-101 est em elaborao. No ano de 2010 a minuta da norma foi preparada e distribuda para comentrios. A consolidao dos comentrios foi feita em Houston em outubro, o que permitir ter a segunda minuta j no incio deste ano. Uma pesquisa feita em 2009 identificou amplo interesse de usurios finais e fornecedores. O comit trabalha para que a norma ISA-101 se torne realidade em breve, fornecendo orientao e direcionamento para o projeto e uso deste elo crtico do qual depende o bom funcionamento dos sistemas de controle e automao.

ESTRUTURA DA NORMA ISA-101O comit da ISA101 formado por representante de grupos diversos: usurios finais, for necedores de solues de software e de hardware e integradores de sistema. A soma de experincias permite ao comit tratar aspectos de facilidade de uso junto a aspectos de eficincia no desenvolvimento de projetos. A norma trata de diversos elementos das IHMs, tais como: hierarquia de menus, convenes

REFERNCIAS 1. Wilkins, M. HMI Standards Writers Weigh in on Importance, InTech, December 2009. 2. Microsite da norma ISA-101: http://www.isa.org/link/ISA101.

para navegao entre telas, elementos grficos, convenes de cores, telas de pop-up, elementos dinmicos, convenes para gerao e tratamento de alarmes, mtodos de segurana de acesso e atributos de assinatura eletrnica, interfaces com programas8 InTech 129

artigo

IEC 61850

USO DO PROTOCOLO IEC 61850 PARA A IMPLEMENTAO DE SISTEMAS INTEGRADOS DE CONTROLE DE PROCESSO E ENERGIA

Carlos Fernando Albuquerque (carlos.fernando@siemens.com), Gerente de mercado vertical de Qumica e Biocombustveis da Siemens Brasil.

INTRODUOA concepo e o design de sistemas de automao de subestaes tm sido significativamente modificados pelo uso cada vez mais crescente do protocolo IEC 61850, que pode ser considerado o primeiro protocolo fieldbus para os sistemas de controle e proteo de mdia e alta tenso. Esta nova tecnologia traz novas possibilidades nos projetos de automao de subestaes em plantas de processo, onde a interao entre o controle de processo e o controle da gerao e distribuio de energia , muitas vezes, inevitvel.

diferentes,

trocarem

informaes

e

utilizar

estas

informaes para uma operao conjunta correta. Para que o objetivo de interoperabilidade do IEC 61850 seja atingido, os seguintes pr-requisitos devem ser atendidos (padronizao uniforme): Meiodecomunicao. Protocolo. Linguagem(modelodedados). Servios(modelodeservios). Trocadedadosdeengenharia. Testesdeconformidade.

VISO GERAL DO IEC 61850O protocolo IEC61850 foi desenvolvido orientada a para objeto possibilitar uma engenharia

Em

diversos

aspectos,

o

IEC

61850

apresenta

semelhanas conceituais com os protocolos utilizados em automao, como o Foundation Fieldbus e o Profinet, inclusive tendo como base o protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) para a definio dos seus objetos abstratos, de maneira similar ao Profibus FMS. As similaridades ficam mais evidentes se comparadas s camadas do modelo OSI do IEC 61850 e de um protocolo de automao tambm baseado em Ethernet como, por exemplo, o Profinet (Figura 1).

dos dispositivos de controle e proteo eltricos, denominados IEDs (Intelligent Electronic Devices), com a implementao de estratgias de controle e intertravamento eltricos distribudos (peer-to-peer), com o objetivo de garantir a interoperabilidade entre dispositivos de diversos fornecedores. A interoperabilidade a habilidade de dois ou mais IEDs de um mesmo fornecedor, ou de fornecedores10 InTech 129

IEC 61850

artigo

Figura 3 Interao entre IEDs baseada na troca de dados peer-to-peer entre Logical Nodes.

Os principais servios de comunicao oferecidos pelo IEC 61850 so: a) Comunicao cliente servidor para visualizao (Servios MMS)Figura 1 Comparao entre as camadas do modelo OSI entre o IEC 61850 e o Profinet.

Get / Set Substituio

No IEC 61850, os IEDS so considerados objetos compostos, com perfis de dispositivos definidos em classes, e com subobjetos internos para cada funo de proteo e controle disponibilizada pelo dispositivo, conforme pode ser visto na Figura 2.

Relatrios(Buffered and Unbuffered reports) Logging b) Comunicao de alta velocidade em tempo real GOOSE Generic Object Oriented Substation Event (para trocas de dados crticas entre dispositivos) Sampled Value c) Outros Servios Sincronismodetempo(SNTP). Transfernciadearquivos(MMSfile transfer, FTP). Os servios mais relevantes para a integrao dos IEDs nos sistemas de controle de processo via IEC 61850 podem ser destacados na Figura 4.

Figura 2 Estrutura orientada a objetos de um IED.

Em um sistema de automao de subestaes temos as seguintes relaes de comunicao: A informao trocada entre todos os dispositivos (IEDs) que formam o sistema. Demaneiramaisprecisa,osdadossotrocadosentre as funes e subfunes residentes nos dispositivos. A menor parte de uma funo que troca dados chamada de Logical Node (LN). O LN realiza algumas operaes (ex.: proteo contra sobrecorrente) para uma funo geral (Logical Device) do IED.Figura 4 Principais servios do protocolo IEC 61850 para integrao com sistemas de controle de processo.

InTech 129

11

artigo

IEC 61850

Comunicao Cliente-servidor (servios MMS) Utiliza todas as sete camadas do protocolo de comunicao. uma camada com transmisso de dados com confirmao. Muitoconfivel. Consomeumtempodecomunicaorazovel. Desta forma, a comunicao cliente servidor no adequada para transmisso de dados com criticidade temporal, i.e., inferiores a 20 ms (necessrias para a implementao em tempo real de intertravamentos e atuaes do sistema eltrico), porm extremamente adequada para comunicaes com o operador que possuam um tempo de resposta da ordem de 1s, o que o caso tpico dos sistemas de visualizao de um SDCD. Outro cenrio de aplicao para os servios MMS a implementao de intertravamentos entre dispositivos de processo e IEDs, como no caso do acionamento de motores de mdia tenso por condies do processo. Outra funcionalidade importante dos servios MMS para conectividade com sistemas de controle de processo so os servios de relatrios (Report Control Blocks) no solicitados, i.e., conjuntos de dados (datasets) enviados pelos IEDs de forma autnoma (o que minimiza a ocupao de largura de banda da rede IEC 61850) em caso de ocorrncia de eventos ou alterao de valores analgicos alm de uma banda morta pr-definida. O IEC 61850 contempla dois procedimentos distintos de relatrios: Relatriosestticos(Static reporting): O conjunto de dados (dataset) pr-configurado no IED, na etapa de desenvolvimento da configurao do sistema. Relatrios dinmicos (Dynamic dataset pode ser reporting): O

O s I E D s co m u n i ca m - s e e n t re s i vi a o s erv i o de co m u n i ca o GOOSE. e n t re Esta co m u n i c a o pode e e xt re m a m e n t e e l t r i ca s , rpida d i s p o s i t i vo s

s e r u s a d a p a r a e s t a b e l e ce r f u n e s d e p ro te o co m o i n t e r t r a va m e n t o s re ve r s os s e l e t i vi d a d e l g i ca . N e s t e ca s o , n o h tro c a d i re t a d e d a d o s vi a G O O S E co m o s co n t ro l ad o re s d o s i s t e m a d e co n t ro l e d e p ro ce s s o , j qu e o t e m p o d e re s p o s t a n e ce s s r i o d a o rd e m d e alguns milissegundos.

Figura 5 Exemplo de intertravamento entre IEDs via servio de comunicao peer-to-peer de alta velocidade GOOSE.

Com

o

GOOSE no

pode dos de

ser

obtida

uma

grande para a tpicos

reduo

cabeamento

necessrio

implementao a troca rpida entre

intertravamentos dados de

encontrados em uma subestao, alm de permitir intertravamento em uma eltrico subestaes diferentes

mesma planta de processo.

dinamicamente

configuradoFigura 6 Reduo do cabeamento entre IEDs pelo uso do servio de comunicao peer-to-peer de alta velocidade GOOSE.

pelo sistema de controle em tempo de execuo, permitindo assim o acesso a todas variveis do IED sob demanda, sem a necessidade de configurao prvia do dataset no IED. Comunicao peer-to-peer de alta velocidade em tempo real (GOOSE).12 InTech 129

Um telegrama GOOSE (contendo comandos, alarmes, indicaes e mensagens) enviado por um IED pode ser recebido e utilizado por diversos participantes da rede.

InTech 129

13

artigo

IEC 61850

Pode ser usado, por exemplo, para: Fornecerposiesdechavesparaintertravamentos. Intertrip para disjuntores. Partidaparaoscilografias. Implantaodesistemasdeload shedding (rejeio/ descarte de cargas).

EspecificaofuncionaldeSistema-(SSD). Estes so os arquivos de configurao utilizados pelas ferramentas de engenharia do sistema de controle para a configurao da rede IEC 61850 e seus dispositivos (IEDs), de maneira anloga ao uso dos arquivos GSD / EDDL (Profibus), EDDL/CFF (Foundation Fieldbus) e GSDML (Profinet). A filosofia de engenharia no protocolo IEC61850

CONFIGURAO DE AUTOMAO DISTRIBUDA DE SISTEMAS ELTRICOS NO IEC 61850Para que todos os servios de comunicao e funcionalidades dos IEDs estejam disponveis para configurao de forma padronizada e independente do fornecedor utilizado, o protocolo IEC 61850 utiliza uma linguagem de configurao denominada Substation Configuration description Language (SCL), que atende as seguintes necessidades: Permitir uma descrio formal do Sistema de Automao de Subestaes com todos os links de comunicaes necessrios, para prover interoperabilidade entre os IEDs que compem o sistema. Todas as capacidades dos IEDs so descritas formalmente, sem ambiguidades. Todos os servios de comunicao aplicveis so descritos formalmente, sem ambiguidades. OsrelacionamentosentreosIEDs(diagramaunifilar) e os dados do sistema de automao de subestaes so descritos formalmente, sem ambiguidades. A Linguagem de descrio de Configurao de

orientada para as estruturas usuais encontradas em sistemas de distribuio de energia, i.e., dos nveis inferiores para os nveis superiores do sistema eltrico, ou seja, dos dispositivos de campo para o SDCD. Inicialmente, os IEDs devem ser parametrizados, de acordo com as suas ferramentas de configurao, gerando assim os seus arquivos ICDs (Intelligent Electronic Device Configuration Description). Em um segundo passo, os arquivos ICDs so agrupados para formar os arquivos SCDs (Substation Configuration Description), onde as funes GOOSE so definidas.

USO DO IEC 61850 EM SISTEMAS DE CONTROLE DE PROCESSOA interligao dos equipamentos de controle e proteo eltricos de mdia e baixa tenso com os sistemas de controle de processo de plantas industriais com uso e/ou gerao intensivos de energia (ex.: refinarias de petrleo, complexos petroqumicos, siderrgicas, plantas de celulose, usinas de lcool, centrais termoeltricas etc.) no nada de novo. At recentemente, os sistemas de controle de processo (SDCDs) destas plantas implementavam esta interligao via mdulos de I/O digitais e analgicos tradicionais, o que demandava um uso extensivo de painis de rearranjo e considerveis quantidades de cabos e sua infraestrutura associada (ex.: eletrodutos, eletrocalhas, bandejamentos, etc.). Em plantas de grande porte como, por exemplo, uma central termoeltrica, esta estrutura de interface pode tornarse bastante complexa, envolvendo entre 1000 at 5000 sinais, cuja interligao necessita ser projetada, cabeada e comissionada.

Subestaes (SCL) : BaseadaemXML. Definidanaparte6danorma(IEC61850-6). E utilizvel para: ArquivosdedescriodecapacidadesdoIED-(ICD). Arquivos de Descrio de Configurao de Sistema - (SCD).14 InTech 129

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15

artigoA

IEC 61850

introduo para

dos media

equipamentos e alta adicional nesta de

de

proteo significou

aceitao como padro mundial para sistemas de distribuio de energia em 2004, este padro tem sido estabelecido de forma bem sucedida em todas as reas de distribuio de energia. O seu uso vai desde sistemas nacionais de distribuio em alta tenso (400 500 kV), redes de distribuio (138, 69, 13.8 kV), at a companhias de fornecimento de energia, municpios e instalaes industriais. Hoje o IEC 61850 o padro global de comunicao para os dispositivos de comando e proteo eltricos MT/AT, j podendo ser considerado o estado da arte desta tecnologia. O IEC 61850 baseado na comunicao via

digital uma

tenso

desvantagem pois no as

abordagem tempo dos em

tradicional, dispositivos)

estampas ser

sinais adquiridos pelo SDCD (disponveis nestes podiam transferidas conjunto com estes sinais. Em caso de da haver sobre planta, a os necessidade dispositivos era geralmente uma de de maiores proteo necessria para

informaes eltricos energia

a implantao de um sistema de automao de separado como alternativa, permitir a troca de dados com o sistema de controle de processo da planta via links dedicados de comunicao. Apenas uma pequena parte da informao disponvel usualmente transferida via que esta interface, uma tendo como de consequncia informaes na avaliao apenas quantidade

Ethernet, o que o torna especialmente adequado integrao com os sistemas de controle de processo (SDCDs) modernos. Funes especficas dos dispositivos de proteo, como intertravamentos eltricos e seletividades lgicas de sistema podem ser diretamente implementados no nvel de planta, ao as invs de serem da configurados/simulados integrao nos controladores do sistema de controle. Com isto, desvantagens convencional (hardwired) e dos sistemas separados de automao de energia so eliminadas. Dispositivos digitais com interfaces de comunicao j esto implementados em diversos sistemas de controle e proteo eltricos em plantas industriais. O nmero de dispositivos disponveis em IEC 61850 tem aumentado rapidamente, cobrindo todas as funes necessrias em sistemas eltricos. Estes dispositivos so conectados via redes Ethernet com o barramento de comunicao (barramento de sistema) do sistema de controle de processo. A aplicao da filosofia da IEC 61850 nos sistemas de proteo e controle eltricos de plantas industriais precisa ser orientada para os requisitos especficos das redes de gerao e distribuio de energia em plantas de processo. Desta forma, a

limitada estava disponvel no SDCD. Esta situao particularmente inconveniente dos eventos de falha do sistema eltrico, j que os dados para comparao esto distribudos em dois sistemas de arquivos histricos distintos, e a comparao das estampas de tempo apenas possvel de forma parcial.

Figura 7 - Arquitetura convencional de sistemas separados de controle de processo e energia.

integrao total do sistema de proteo e controle no sistema de controle de processo principal da planta passa a ser a estratgia de design escolhida, ao invs da implantao de sistemas separados de automao de energia.

A introduo do protocolo IEC 61850 traz uma mudana significativa neste cenrio. Desde a sua16 InTech 129

InTech 129

17

artigoIsto

IEC 61850

especificamente

refletido

nas

seguintes

funcionalidades: Soluo padro sem funcionalidades especficas especiais de um nico fornecedor. Interfaces claramente definidas com o sistema eltrico padro atravs de da importao de de arquivos configurao dispositivos

IEC61850 (arquivos SCD). Filosofia operacional similar do sistema de controle de processo principal da planta. Controle de acesso/usurios que garanta acesso exclusivo apenas para pessoal qualificado. Si n c ro n i s m o d e re lgio do sist e ma d e c on t ro l e de p ro c es s o ext e n siv o a t odos o s disp o s i t i vo s de p ro te o e c ont role e l t r ic o ba se a do s n o IE C 6 1 8 5 0 . Arquivamento histrico compartilhado para os dados de processo e os dados do sistema eltrico. Extenso do sistema de alarmes e diagnsticos do SDCD para a incluso dos componentes IEC 61850. Acesso otimizado aos registros e arquivos de eventos e distrbios do sistema eltrico em um servidor central. Cont u d o , integra o Os d ad o s a i n t e gr a o dos t a mb m dos signif i ca aFigura 8 Arquitetura IEC 61850 para sistemas integrados de controle de processo e energia.

MECANISMOS DE COMUNICAO IEC 61850 MMS USADOS EM SISTEMAS DE CONTROLE DE PROCESSOPara a integrao dos IEDs ao sistema de controle de processo so usados os seguintes servios MMS: Read / Write Relatrios(Buffered and Unbuffered reports)

d i reta

d a dos e st o

disp o s i t i vo s nosFigura 9 Conectividade dos IEDS com o SDCD via servios MMS (Read & Write e Report Control Blocks).

do si s tem a el tri co n a ba se d e da d o s do S D C D . el tr ic o s d isponv e is contro l ad o res d e p ro c e sso , n a int e r f a c e c o m o usuri o e n o s i s tema de a rq u iv a me nt o h ist r i co d o SDCD , c o m u m a p r io r id a de igua l a o s d a dos v i n d o s do pro c es s o . O conceito de interligao da rede IEC 61850 pode ser comparado com a interligao das redes de campo (Profibus e Foundation Fieldbus) com os controladores do sistema de controle de processo.18 InTech 129

Quando o SDCD (como cliente IED) realize o logon nos IEDs durante o start-up do sistema, o SDCD envia um bloco de controle de registros para cada IED, solicitando que os Report Control Blocks disponveis passem a ser enviados, assim que houver qualquer alterao nas variveis que compem os datasets do IED.

InTech 129

19

artigo

IEC 61850

D e vi ce s ) l i g a o

do d i re t a

sistema co m o

e l t r i co sistema

que de

tenham co ntro le

d e p ro ce s s o , a p a r t i r d a m e s m a e s t a o d e o p e r a o ( O S C l i e n t ) . 6. Reduo de custos de projeto e manuteno (treinamentos, ferramentas e spare parts). 7. Reduo do nmero de protocolos de rede proprietriosFigura 10 Possibilidades de integrao dos dados dos IEDs no SDCD via servios MMS.

/

diferentes

na

planta

(com

impacto direto para minimizao do MTTR Tempo Mdio para Reparos).

BENEFCIOS ESPERADOS COM O USO DO IEC 61850A utilizao dos amplos recursos e funcionalidades do IEC 61850 nos sistemas eltricos das plantas de processo visa alcanar os seguintes objetivos: 1. Consolidar as informaes de controle de

Estes objetivos trazem os seguintes benefcios para as plantas de processo:

Reduo de Custos de Investimento Um nico sistema para controle de processo e energia economiza custos de hardware e engenharia. Menornmerodesinaisviahardware.

processo e de controle do sistema eltrico em um nico sistema de controle e visualizao abrangendo toda a planta. 2. Consolidar de de controle potncia, dentro a de um mesmo das sistema de etc.)

aquisio

variveis

Investimento protegido para o futuro pelo uso de um padro inter nacional.

grandezas eltricas (tenses, correntes, fatores potncias ativas/reativas, necessrias para a totalizao dos consumos eltricos que tenham impacto na composio dos custos de produo. 3. Consolidar dentro de um mesmo sistema de controle a aquisio dos alarmes e eventos do sistema eltrico que tenham impacto direto na disponibilidade da planta e nas suas atividades de manuteno corretiva / preventiva / preditiva. 4. Consolidao da aquisio de dados histricos das variveis, alarmes e eventos relacionados ao sistema eltrico em um nico sistema historiador (PIMS) da planta. 5. Fac i l i tar o m an use io p a r a os ope r a dore s d o s co m p o n en tes20 InTech 129

Economia de energia Um nico sistema para processo e energia promove de maior transparncia. ser Potenciais e melhoria podem encontrados

implementados de forma mais fcil. Otimizao do consumo de energia para reduo dos custos de energia.

Com de

isto,

os e

sistemas energia

integrados tornam-se

de

controle

processo

ferramentas

estratgicas para o aumento da eficincia energtica, operacional e da sustentabilidade para as indstrias de processo. E le c t r o n i c

( IE D s

Int e llig e nt

artigo

IEC 61850

IMPLEMENTAO E UTILIZAO DO PROTOCOLO IEC 61850 EM SISTEMAS SCADAMarcelo Barbosa Salvador (marcelo@elipse.com.br), Diretor de Negcios; e Rubem Guimares Netto Dias (rgdias@elipse.com.br), Consultor Tcnico, ambos da Elipse Software.

A utilizao do protocolo IEC 61850 em IHMs ou sistemas SCADA tem se tornado um assunto bastante relevante nos ltimos anos e uma grande tendncia tecnolgica aplicada devido ao fato de que, na grande maioria dos novos projetos de subestaes, necessria sua integrao com sistemas de superviso e controle novos ou legados.

encontrado. este

Devido

a

certas

particularidades requerendo

no no

modo de funcionamento do OPC DA e do 61850, mapeamento no trivial, conformidades com a especificao OPC DA por parte do OPC Server ou a utilizao de OPC A&E, para que eventos do tipo SOE (Sequence of Events) sejam corretamente reportados. Ainda de forma a proporcionar uma melhor experincia aos usurios e maior segurana, muitos sistemas tm adotado implementaes nativas do protocolo de forma a melhor utilizar todo o potencial oferecido pela norma. Podemos dividir o suporte ao 61850 em um sistema SCADA de acordo com a de funcionalidade Arquivos e sua representatividade no ciclo de vida de uma aplicao: Importao/Gerao ICD/SCD: Para que servem os arquivos ICD/SCD? Partindo do princpio que um usurio pode construir uma aplicao em um escritrio sem a presena fsica dos equipamentos, desejvel que o sistema possa importar os arquivos descritores de bases de dados, gerados em suas respectivas ferramentas de configurao e salvos em arquivos com a extenso ICD (correspondendo a um equipamento) ou SCD (correspondendo a vrios equipamentos ou a uma subestao inteira, por exemplo). O resultado desta importao, que pode ser entendida como OFFLINE, deve permitir que o usurio escolha quais variveis ou partes da base de dados do equipamento sero utilizadas no sistema.InTech 129 21

VANTAGENSOs benefcios trazidos com a utilizao do IEC 61850 so em projetos de que envolvem de subestaes amplas dos protees muito relevantes, organizao proporcionando e

possibilidades distribudas,

configurao

padronizao

dados e projetos. Mas e quanto aos sistemas de superviso e monitoramento? Podemos dizer que o protocolo, quando bem acoplado a um sistema SCADA, reflete-se em ganhos como a diminuio do tempo de desenvolvimento e startup de aplicaes, padronizao dos dados e maior confiabilidade das aplicaes, conforme veremos a seguir.

OPC X SUPORTE NATIVOAs primeiras implementaes do IEC 61850 em sistemas SCADA tradicionais foram construdas a partir de OPC Servers de mercado que mapeiam a estrutura de objetos da norma para OPC DA, o padro mais comumente

artigo

IEC 61850

A gerao de arquivos no formato ICD/SCD por parte do SCADA normalmente no necessria, mas pode ser til quando o sistema envia mensagens rpidas de GOOSE para outros ns de rede como ocorre em certas aplicaes de controle (ex.: descarte de cargas). - Obteno de Base de Dados Online: Quando um sistema est com sua rede fsica de comunicao disponvel, deve ser possvel, ao sistema SCADA, realizar a importao ONLINE da base de dados dos equipamentos e tambm permitir que o usurio escolha quais variveis sero utilizadas no sistema. Outro motivo desta funcionalidade que nem sempre temos a garantia que o arquivo ICD/SCD corresponde exatamente base de dados atual dos equipamentos, podendo servir como um mtodo opcional de obteno dessa base. Como o prvio conhecimento dessa base de dados por parte do sistema imprescindvel para o correto funcionamento da comunicao, uma soluo para tornar a partida do sistema mais rpida a criao de arquivos de cache locais ao sistema SCADA que contenham uma cpia dessa base. Assim, durante o start-up, caso os arquivos sejam encontrados, o sistema apenas faz a leitura dessa base e inicia a comunicao. Caso contrrio, primeiro obtm-se a base do equipamento, gera-se o arquivo de cache e, em seguida, inicializada a comunicao.

possvel ainda, atravs da comunicao com o rel, verificar o nmero da verso dos objetos Dataset (propriedade ConfRev), de forma que mudanas na mesma causem a deleo dos arquivos de cache armazenados e a consequente nova importao da base, evitando o surgimento de eventuais conflitos de bases.

Figura 2 Fluxograma de Tag Browsing.

- Utilizao dos Modelos de Informao: Uma das principais vantagens do protocolo IEC 61850, relativo utilizao da informao por parte dos sistemas de superviso e controle, est relacionada nomenclatura e estrutura hierrquica existente em todas as variveis (Dispositivo/Logical Device/ Logical Node/Data/Attribute), a sua organizao de acordo com a funo (Equipamento, Funo de Proteo, etc.) e ainda ao tipo de informao (Status, Comandos, Configuraes, etc.). O sistema SCADA preferencialmente deve se valer desta organizao para melhor estruturar os dados internamente e obter informaes relevantes como: - Se existem e quais so as protees atuadas para um determinado equipamento ou subestao. - Contadores de operaes de chaves. Simulaes de proteo em um ambiente de treinamento (OTS), entre outros.

Figura 1 Inicializao do sistema com o uso de arquivos de cache.

22

InTech 129

InTech 129

23

artigo

IEC 61850

de

acordo

com

as

necessidades

da

aplicao,

respeitando os limites de nmeros de pontos em

cada dataset. Depois de criados, os datasets so associados aos Reports que, uma vez habilitados, passam a enviar as informaes. E n t re t a n t o , ca b e a o l a d o cl i e n t e a p e n a s e s co lh e r, d e n t re o s R e p o r t s e xi s t e n t e s , q u a i s d e ve m se r h a b i l i t a d o s p a r a a co m u n i ca o n a m a i o r p a rte d a s i m p l e m e n t a e s . D e s t e m o d o , p a r a e v ita r o p o l l i n g , t o d a s a s va r i ve i s a s e re m e n v ia d a s p a r a o s i s t e m a S C A D A d e ve m s e r co n f i g ura d a s e m D a t a s e t s e a s s o ci a d a s a u m o u m a i s R e p o rts, p re ve n d o a i n d a a s i t u a o d e q u e m a i s de u m cl i e n t e p o d e e s t a r co n e ct a d o a u m e q u i p a me n toFigura 3 Principais trocas de dados na estrutura SCADA com IEC 61850.

s i m u l t a n e a m e n t e . N e s t e l t i m o ca s o , u m a o p o d e f i n i r u m a l i s t a f i xa ( p r i va d a ) d e R e p o r t s p a ra ca d a cl i e n t e , e vi t a n d o que um d e t e r m in a d o R e p o r t cr i a d o p a r a u m s i s t e m a e s p e c f i co se ja u t i l i za d o p o r o u t ro s .

- Comunicao e Performance: A norma IEC 61850 estabelece duas formas principais para a obteno de valores correntes que so o Polling, atravs da execuo do mtodo MMS Read, e as mensagens por exceo, por meio de Reports (MMS Unconfirmed). O sistema de polling no deve ser considerado para a utilizao na maioria das aplicaes SCADA por dois motivos principais: - Trfego de mensagens excessivo e contnuo. - Perda de mensagens de eventos que podem ocorrer entre cada polling. J os Reports podem ser do tipo Buffered, os quais mantm eventos na fila durante uma desconexo, e Unbuffered. Cada Report tem associado um Dataset, uma lista de variveis da base de dados do equipamento que deve ser enviada quando ocorrer uma determinada condio especificada no Report, podendo esta condio ser definida tanto pelo Servidor (equipamento) quanto pelo cliente (sistema SCADA/IHM). Um Report Buffered pode servir dados a apenas um cliente, enquanto que um Report Unbuffered pode servir dados a mais de um cliente, desde que no tenha sido habilitado em modo exclusivo. Caso o equipamento permita, possvel que o lado cliente defina os datasets em tempo de execuo,24 InTech 129

Figura 4 Fluxograma para procura e habilitao de reports.

De forma anloga, podem ocorrer determinadas situaes nas quais o cliente no encontra nenhum Report disponvel que contenha uma certa varivel solicitada pela aplicao. Neste caso, se o polling no tiver sido habilitado, a estratgia mais correta manter a varivel em uma lista temporria apelidada de Limbo (Figura 5) at que um Report se torne disponvel.

IEC 61850

artigo

dos circuitos de rede, a mensagem enviada em uma das portas ser nica e dever causar o descarte de mensagens similares da outra porta, mesmo que sejam enviadas algum tempo depois. - Comandos: A norma 61850 especifica quatro tipos de comando (Direct Control/SBO com segurana normal ou avanada) e seis tipos de servios (Select, Operate, Cancel, etc.). O SCADA deve traduzir estas aes da maneira mais integrada possvel de forma a evitar a utilizao de cdigo repetitivo para o tratamento, incluindo a correo de erros e excees. Figura 5 Fluxograma para a definio do mtodo de comunicao de cada tag.

Importao

de Para o

Arquivos os

de

Perturbaes que eventos geram de a

(COMTRADE): arquivos perturbaes,

equipamentos contendo SCADA pode

COMTRADE, sistema

realizar

transferncia destes arquivos de forma automtica, via - Redundncia: A implementao de redundncia de rede deve ser melhorada na segunda edio na norma com a definio formal dos padres PRP (Parallel Redundancy Protocol) e HSR (High-Availability Seamless Redundancy). Entretanto, os equipamentos atualmente no mercado possuem implementaes distintas de redundncia que podem ser: - Apenas uma porta Ethernet. - Duas portas Ethernet atuando como hub (no independentes). - Duas portas Ethernet independentes. Nos dois primeiros casos, quando h uma queda de rede, por exemplo, eventos enviados pelo equipamento podem no ter sido processados pelo sistema. do Desta o forma, ao o reinicializar parametrizar ltimo forma ltimo que a o o comunicao, Report do campo sistema buffered qual deve com de o foi Outra mensagens MMS ou FTP, para um diretrio local ou de rede, a fim de permitir sua anlise posterior. - Conversores de Protocolos (Gateways): Devido ao grande nmero de mensagens que podem ser enviadas de forma espontnea, principalmente durante uma avalanche de eventos, recomendvel que o trfego do protocolo 61850 seja restrito localmente. Desta forma, as aplicaes que devem se reportar a um centro externo devem convert-lo para outro padro mais adequado a bandas mais estreitas, caso do IEC 60870-104 ou do DNP 3.0. Este mapeamento, entretanto, leva perda do contexto dos dados, visto que enquanto o 61850 trabalha com endereos textuais e estruturas de dados, os outros protocolos citados operam com endereos numricos que, na maioria das vezes, devem ser mantidos/verificados por conta e risco do usurio. Est em fase de elaborao, pelo TC 57, a norma 61850-90-2 que especifica os mtodos adotados para enviar os dados aos centros remotos. Porm, como o ideal para um centro de controle evitar a comunicao individual com cada equipamento dentro de uma subestao, a soluo ainda passar pela concentrao dos dados em um nico equipamento ou proxy (mesmo que redundante). Uma alternativa ainda pouco utilizada no mercado para esta finalidade a utilizao do protocolo TASE.2 IEC 60870-6 ou ICCP (Inter Center25

tipo

valor evento

EntryID saiba

enviado

equipamento realmente

processado.

possibilidade

checar o parmetro TimeofEntry que indica o instante da gerao do Report no equipamento de modo a comparar com o ltimo TimeofEntr y processado, a fim de evitar a duplicao. J nos rels com duas portas, a melhor implementao por parte do SCADA processar as mensagens simultaneamente em cada uma delas e eliminar as mensagens repetidas. No caso de haver falha em um

InTech 129

artigo

IEC 61850

Communication Protocol). Inicialmente desenvolvido para a troca de dados de forma bidirecional entre centros de operao, o protocolo ICCP apresenta as seguintes caractersticas: - Permite a livre definio de base de dados com endereos textuais. - Permite que o cliente defina em execuo seus prprios Datasets e causas de transmisso de mensagens. - Possui suporte SOE e compactao de mensagens (Blocked Data). -baseadonoprotocoloMMS,assimcomoo61850. Desta forma possvel, para o sistema SCADA, distribuir os dados do 61850 a um centro mantendo-se a mesma nomenclatura das variveis, alm de controlar o trfego excessivo, conforme parametrizao tanto do lado servidor quanto cliente.

CONCLUSOUma das chaves para o sucesso da introduo do IEC 61850 foi a padronizao do ciclo de desenvolvimento de projetos que abrange desde formatos de bases de dados at a forma de representao e utilizao das informaes pelos usurios e sistemas. Tornar simples ou, se possvel, transparente o uso das diversas possibilidades desta tecnologia uma tarefa que deve ser perseguida pelos fornecedores de modo a colaborar com os objetivos desta padronizao. Uma tendncia para o futuro a adoo de novas partes da norma para outros tipos de aplicao como a IEC 61400-25 para aero geradores e a IEC 61850-7-410 para plantas hidrulicas, por exemplo, agregando mais uniformidade s solues de hardware e software para estes tipos de plantas.

GLOSSRIO OPC OLE for Process Control. OPC DA OPC Data Access. OPC A&E OPC Alarmes e Eventos. Arquivos ICD/SCD IED Capability Description / Substation Configuration Description. SOE Sequncia de Eventos. GOOSE Generic Object Oriented Substation Event. MMS Manufacturing Message Specification.Figura 6 Arquitetura de Gateway 61850 / ICCP.

SBO Select Before Operate. IEC TC 57 Technical Committee 57 (responsvel pela elaborao de normas como o IEC 61850). COMTRADE COMMON FORMAT FOR TRANSIENT DATA EXCHANGE. ONS Operador Nacional do Sistema.

A principal razo para o fato do ICCP ainda ser pouco utilizado como gateway a pouca variedade de sistemas que o implementam como cliente. Porm, devido a sua inegvel utilidade para a comunicao entre centros remotos, como acontece no Brasil em relao comunicao com o ONS, trata-se de uma grande opo enquanto no tivermos acesso norma 61850-90-2.26 InTech 129

artigo

IPV4 E IPV6 NA AUTOMAO

O FIM DO IPV4 EM FEVEREIRO E O FUTURO DO IPV6 NA AUTOMAO

Leandro Pfleger de Aguiar, M.Sc. (leandro.aguiar@chemtech.com.br), Especialista em Solues de TI e SI para Ambiente Industrial, e Marcelo Ibrahim Soares (marcelo.soares@chemtech.com.br), Engenheiro de Controle e Automao, ambos da Chemtech A Siemens Company.

INTRODUONo ltimo dia 20 de janeiro, o presidente do NIC-BR Ncleo de Informao e Coordenao do Ponto BR, Demi Getschko anunciou que, ainda neste ms, o ltimo lote de IPs na verso 4, comumente chamado de IPv4, seria entregue pelo rgo IANA para usurios da Internet. O NIC-BR um rgo sem fins lucrativos cuja responsabilidade a de implementar as decises que so tomadas pelo comit gestor da Internet no Brasil, incluindo a a distribuio de endereos de IP para usurios interessados em se conectarem Internet. Mundialmente, os endereos so administrados pela entidade de coordenao global IANA Internet Assigned Numbers Authority, que j vem anunciando j h alguns anos sobre a exausto dos endereos de IP de 32 bits para uso na Internet. Com o trmino definitivo destes endereos no incio deste ano, quais sero os impactos imediatos e futuros nos ambientes de automao que utilizam IPv4? Ser possvel a convivncia destes sistemas de automao com redes IPv6? Quais so os novos limites para a troca de dados e interoperabilidade com redes convergentes ao padro Ethernet?

se intensificaram a partir de 2005, com a publicao dos relatrios IPv6 Economic Impact Assessment Report, pelo centro de pesquisa RTI International, em 2005, e Internet Address Space: Economic Considerations in the Management of IPv4 and in the Deployment of IPv6, publicado em uma parceria envolvendo grandes nomes como a APNIC Asian Pacific Network Information Centre Projections, a IANA e o fabricante de equipamentos de rede CISCO, na Coria do Sul no frum Internacional do OECD Organization for Economic Co-operation and Development, em 2008. At ento, a importncia dada especificao de endereos de 128 bits do IPv6, publicada desde dezembro de 1998 na RFC 2460, era vista apenas como uma questo tcnica e no como um problema econmico relevante e de alto impacto. De acordo com o RTI, a projeo de gastos para um perodo de transio de 25 anos (de 1997 a 2025), do IPv4 para o IPv6, incluindo hardware, servios, treinamento e impactos no desempenho com a mudana, chegaria a 25 bilhes de dlares apenas nos Estados Unidos. A soluo IPv6 tambm no foi a nica tentativa de mitigar o problema dos endereos na verso 4 como um recurso finito. J em 1990, com o crescimento do sucesso e popularidade da Internet, polticas foram introduzidas para tentar fazer uso mais eficiente do espao de endereamento, dando origem ao padro CIDR Class Inter Domain Routing e o NAT Network Address Translation, que apareceu como uma soluo do tipo quick fix para compartilhar um nico endereo pblico entreInTech 129 27

A EXAUSTO DO IPV4O problema da exausto dos endereos de IP na verso 4 no novo e, mesmo no contexto das redes industriais a questo j foi levantada, especialmente pelos fabricantes de equipamentos e defensores do padro Ethernet industrial. No mbito da Internet, as discusses ao redor do tema

artigo

IPV4 E IPV6 NA AUTOMAO

vrios hosts. O CIDR adicionou o conceito de mscara de subrede, permitindo uma diviso dos endereos com granularidade varivel (e agregao de rotas), e flexibilizando o conceito de classes de IP, que antes exigiam alocao de pacotes de IP com tamanhos fixos para as redes. Nenhuma destas solues foi capaz de resolver a questo e criar escalabilidade com crescimento sustentvel e, no ano de 2008, a rede mundial j contava com mais de 500 milhes de hosts em uma infraestrutura de rede fundamental para a economia mundial. Nem o custo da mudana, nem os desafios tcnicos da possvel transio impediram a difuso do consenso de que o conceito de IPv6 crtico para o futuro da Internet no mundo. Entre maio e outubro de 2007, todas as cinco RIRs (Regional Internet Registries), ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) e os NIRs (National Internet Registries), conjunto que resume a maior parte das entidades de controle da distribuio dos endereos no mundo abaixo da IANA (veja a Figura 1 mostrando a hierarquia de distribuio de IPs), fizeram diversos anncios pblicos enfatizando a necessidade de se implementar IPv6 e chamando a comunidade de organizaes clientes de cada regio a comprometerem-se com a causa, testando e implantando o novo formato.

pool de endereos. Segundo uma das ltimas atualizaes, era esperada a entrega do ltimo pool de endereos da IANA para os RIRs no dia 2 de fevereiro de 2011, o que coincide com a notcia do NIC-BR sobre o fato (oficialmente, a APNIC divulgou a distribuio dos ltimos 5 blocos /8 com 16,5 milhes de endereos cada, em um relatrio no dia 4). Seguindo a arquitetura e fluxo de alocao e distribuio dos endereos, os RIRs ainda tero flego para entregar endereos at o dia 1 de outubro de 2011, segundo as previses do modelo (Figura 2).

Figura 2 Address Consumption Model by APNIC Asian Pacific Network Information Centre Projections (Geoff Huston).

CONCEITOS BSICOS SOBRE IPV6A arquitetura de endereamento com IPv4 composta de 12 campos, que podem, ou no, conter opes, o que faz com que o cabealho possa variar seu tamanho de 20 a 60 bytes. Os campos de endereamento, que contem os IPs de origem e destino limitados a 32 bits, ou 4 bilhes (232) de combinaes de endereos distintos. Parte deste conjunto de endereos pertence s chamadas atribuies legadas, feitas antes da formalizao das entidadesFigura 1 Arquitetura de Distribuio de IPs pelo Mundo e no Brasil. A responsabilidade geral pela distribuio dos endereos de unicast no alocados, definio de padres e organizao da distribuio da IANA. A IANA aloca o espao de endereamento para os RIRs (Regional Internet Registries) de acordo com um conjunto de critrios definidos no grupo. Os RIRs repassam o espao de endereos aos LIRs (Local Internet Registries) e ISPs (provedores de Internet), utilizando critrios definidos em um frum regional. A partir de ento os LIRs e os provedores distribuem os endereos para os clientes finais de acordo com a poltica de distribuio local.

regionais de alocao de endereos, e corresponde a aproximadamente um tero de todos os possveis IPs, o que equivale a 1.6 bilhes de endereos. Outra parte deste espao IPv4 reservada para propsitos especiais, como os endereos privados (aproximadamente 16 milhes), endereos de multicast (aproximadamente 270 milhes) e endereos definidos com o propsito de uso futuro, com aproximadamente 270 milhes de endereos. O IPv6, tambm chamado de IPng (Next Generation Internet Protocol), foi desenvolvido pelo IETF (Internet Engineering Task Force) entre 1993 e 1998 e prov endereos de 128 bits (2128), o que possibilita a alocao de aproximadamente (3.41038) endereos diferentes. As mudanas, entretanto,

O acompanhamento do processo de exausto vem sendo feito desde que o alarme foi dado. Um dos websites mais conhecidos que trata deste acompanhamento, suportado pela APNIC, o www.potaroo.net (de Geoff Huston), que publica e atualiza diariamente as projees de exausto do28 InTech 129

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no se limitaram as mudanas de cabealho, mas fizeram com que o cabealho IP se tornasse mais simples e flexvel, com apenas 8 campos. Um pacote IPv6 dividido em duas grandes partes: header (cabealho) e payload (dados). A primeira parte composta de 40 bytes (320 bits) e se divide nos seguintes campos (Figura 3): Verso (4 bits): indica a verso do protocolo e contem 4 bits, assim como no IPv4; Classe de Trfico (Traffic class) (8 bits): Serve de base para implementao do QoS (Quality of Service) e define diferentes classes e prioridades aos pacotes, facilitando o tratamento dos dados provenientes de aplicaes com requisitos de desempenho distintos. Identificador de Fluxo (20 bits): identifica e diferencia sequencias de pacotes que pertencem a um mesmo fluxo de dados, e que necessitem de tratamento semelhante, facilitando o tratamento por parte dos roteadores. Tamanho dos Dados (16 bits): volume dos dados transportado pelo pacote; Prximo Cabealho (Next Header) (8 bits): indica o tipo de informao que segue ao cabealho IPv6, podendo ser um pacote da camada de transporte (TCP\ UDP) ou um dos cabealhos de extenso. Limite de Encaminhamento (TTL) (8 bits): indica o nmero mximo de roteadores pelos quais o pacote pode passar antes de ser descartado. Endereo de Origem e Destino (128 bits): Especifica os endereos de origem e destino, respectivamente.

a ser utilizado por um longo tempo. Entretanto, por razes tcnicas, o IPv6 no diretamente compatvel com IPv4 e, consequentemente, o processo de transio ser complexo e demorado. A Internet permite a comunicao entre quaisquer dois dispositivos que possuam IP, mas IPs de uma verso em particular no podem comunicar-se com outro IP de verso diferente nativamente. Assim, existem trs mecanismos propostos para garantir a intercomunicao, at que toda a transio tenha sido concluda: Pilha Dupla (dual stack): neste mecanismo, o host (dispositivo) suporta as duas pilhas de protocolos simultaneamente e possui, portanto, dois endereos de IP. Para comunicar-se com outros dispositivos IPv4, o host utiliza o endereo de origem IPv4 e, para comunicar-se com IPv6, utiliza como origem o endereo com 128 bits. Tunelamento (IPv6 over IPv4): nesta opo, os hosts de origem e destino podem utilizar IPv6 somente para comunicar-se, mas, considerando que no caminho entre os dois ns os dispositivos utilizam IPv4 (a exemplo do que ocorre com a maior parte da Internet), necessrio criar um tnel IPv4, encapsulando os pacotes IPv6 de maneira transparente para os hosts. Traduo (translation): nesta soluo, cada host na rede possui apenas um endereo IPv4 ou IPv6 e a comunicao ocorre atravs de um dispositivo intermedirio (normalmente um roteador na borda da rede), que faz uma traduo a exemplo do que ocorre com o NAT, alterando o formato do cabealho IP sempre que um pacote entra ou sai da rede. Atualmente no existem regras universais para a transio do IPv4 para o IPv6. Cada pas e regio pode determinar o que mais interessante e econmico para a sua migrao.

A URGNCIA DO IPV6 PARA REDES INDUSTRIAISA maior parte dos analistas e consultores de automao industrial v muito pouca ou nenhuma preocupao na exausto do pool IPv4. Redes de Automao modernas fazem forte uso de segmentao, endereos privados, firewalls, NATFigura 3 Estrutura Cabealho IPv6.

e outras estratgias para manter o ambiente segregado da rede corporativa e Internet. Mesmo fabricantes focados no segmento de equipamentos de redes industriais falam sobre o global no fato de assunto como tema de pesquisa e teste de possveis solues. Entretanto, h vrias razes para crer que a converso para o modelo IPv6 est mais prxima do que o esperado:InTech 129 29

Atualmente

existe

concordncia

que implantar IPv6 o melhor caminho a seguir, mas tambm h o reconhecimento de que o IPv4 continuar

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IPV4 E IPV6 NA AUTOMAO

Interoperabilidade: uma das grandes vantagens que justificam a adoo do padro Ethernet no ambiente industrial a grande flexibilidade, escalabilidade e possibilidades de interao e troca de dados com quaisquer outros equipamentos ou softwares que usam o padro, dentro ou fora da rede de TA. No por acaso que grandes esforos ao redor do mundo esto sendo despendidos nas tentativas de tornar o Ethernet to confivel e veloz quanto as redes determinsticas de campo hoje utilizadas. O amplo uso do padro no cho de fbrica , em grande parte, o responsvel pela capacidade real que as empresas possuem de subida dos dados do nvel operacional para o nvel estratgico, em sistemas de gesto e inteligncia nos negcios. Ento, a questo : se os sistemas corporativos de TI, inevitavelmente, faro a transio para IPv6 em pouco tempo (j que h contato com a Internet) e os sistemas de TA trocam dados com estes sistemas, isto significa que a continuidade desta interoperabilidade poder exigir migrao completa para o modelo IPv6. muito provvel que, ao menos as novas aplicaes e servios de TI implantados nos prximos meses j sejam configuradas com IPv6. Em outras palavras, se a TI fala com a Internet em IPv6 e a TA fala com a TI, este padro vir por tabela para a TA, para que os dados de produo, qualidade, etc., subam e ordens de produo desam. Aplicaes que fazem uso de banco de dados compartilhado com a TI, por exemplo, j so fortes candidatos a requererem suporte a IPv6 em mdio e curto prazos. Redes Wireless: o forte e recente apelo para as novas aplicaes e padres sobre redes sem fio recorrentemente citado nas justificativas para migrao para IPv6 (inclusive, o prprio relatrio do OECD, cita este fato como justificativa preponderante para a indstria de processo). No apenas porque fazem parte do pacote de sistemas novos que j saem de fbrica com suporte aos protocolos e padres mais modernos, mas tambm porque h diversas previses sobre o uso macio de sensores e atuadores como ns wireless inteligentes em redes totalmente interconectadas (a exemplo do padro Wi-Mesh). No longo prazo, tal rede poderia exigir uma quantidade de endereos to flexvel quanto oferecida pelo IPv6. Smart Grid: as redes eltricas inteligentes j saram da fase de projeto h muito tempo. Vrios pilotos j foram e esto sendo patrocinados especialmente por entidades governamentais espalhadas pelo mundo como uma forma de atingir resilincia da rede, controle e medio30 InTech 129

inteligentes e combate ao aquecimento global. Medidores inteligentes especialmente fabricados agora tambm para consumidores residenciais j esto no mercado, em vrias marcas e modelos, alguns j com suporte a protocolos de rede sem fio nativos, visando flexibilidade e simplicidade na instalao. Assim, em um futuro prximo, ainda que estas redes sejam concebidas de forma totalmente isolada da Internet (o que no se pode afirmar com certeza at ento), haver uma necessidade de escalabilidade a um nmero de ns inimaginvel em nossa atualidade. Tal necessidade, combinada com a intrnseca demanda por segurana que a criticidade desta soluo exige, se encaixa perfeitamente no que o IPv6 tem a oferecer. Telecontrole e Teleoperao: o Telecontrole uma soluo que est em alta no portflio de projetos dos gestores de automao que esto em busca de economia em escala, quando se trata de operao (especialmente quando se trata de estaes de controle distribudo, ambientes hostis e locais com recursos urbanos de difcil acesso). As solues de hardware neste segmento envolvem modems, conversores serialEthernet e, naturalmente, solues que operam em 100% sobre o padro Ethernet, utilizando a rede WAN especfica da organizao, mas tambm a Internet, com conexo com tunelamento de VPN para a segurana. A menos que a empresa tenha disposio uma rede de longa distncia (long haul) prpria, esta soluo exige o trfego por operadoras de servios de telecom, que sero, pela ordem natural dos acontecimentos, as primeiras a implantar solues IPv6. Convergncia Tecnolgica TI x TA: certo que os ambientes de TA no andam na vanguarda das tecnologias de TI com a mesma velocidade, mas a verdade que a cada dia, os dois ficam cada vez mais prximos seguindo o que especialistas chamam de Convergncia TI-TA. Se for verdadeira a previso de que em breve no haver diferenas em marcas e modelos, poucos vo querer manter equipamentos modernos, com uma soluo de protocolos legados. Novas Aplicaes Industriais: nos Estados Unidos h uma srie de aplicaes IPv6 sendo desenvolvidas para dar suporte s atividades de infraestrutura crtica do governo 0como servios de emergncia, planejamento de operaes e controle de servios crticos. A maior parte destas aplicaes tem ligao direta ou faz uso dos mesmos sistemas de controle que hoje esto suportando a operao das indstrias de infraestrutura crtica como gua, energia, transportes, etc.

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Melhorias no protocolo: esperado que, com o tempo, os desenvolvedores de aplicaes de automao reconheam funcionalidades interessantes que s existem no IPv6 como multicast e segurana nativa com IPSec, e desenvolvam softwares que desfrutem das melhorias, impulsionando a adoo em massa do IPv6.

segurana, entre outros. O pas j investiu cerca de 170 milhes de dlares na tentativa de liderar no mundo a chamada Next Generation Internet. Em resumo, para a automao, o desafio maior ser o de manter os projetos de integrao do cho de fbrica aos sistemas estratgicos das organizaes j vislumbrando a necessidade de comunicao simultnea com dispositivos IPv6 e IPv4. No h muitas alternativas s trs opes de migrao j mencionadas, mas possvel aprender com algumas organizaes que j iniciaram a transio e que esto publicando suas experincias. Em geral, tratam-se de empresas com uso e contato mais intenso com a Internet e que toparam o desafio da mudana com suporte intenso dos fornecedores de equipamentos de rede. Grandes fabricantes como Cisco, Juniper e 3Com, j suportam o protocolo h vrios anos e todos oferecem algum tipo de suporte adicional para os interessados na mudana. No segmento dos switches industriais tambm j h equipamentos venda com suporte a IPv6 e os que ainda no oferecem, mas j possuem previso em seus roadmaps para adoo em breve.

VANTAGENS DO IPV6 SOBRE IPV4Alm da escalabilidade, que a sua grande capacidade de suportar o crescimento da conectividade global oferecendo muitos IPs para dispositivos diversos, o IPv6 oferece outras boas vantagens sobre o IPv4: Segurana: o IPv4 foi concebido em uma poca em que as preocupaes com a segurana eram muito menos intensas e, por esta razo, no h suporte nativo a dois elementos que no IPv6 so mandatrios: autenticao e criptografia. Estes elementos so providos atravs do protocolo IPSec, que define cabealhos estendidos e separados de forma que aplicaes de camadas mais altas do modelo OSI possam fazer uso de maneira transparente. Multicast: no IPv4, a possibilidade de mandar um nico pacote para mltiplos destinos opcional. No IPv6, esta possibilidade um requisito bsico da especificao. Autoconfigurao de Endereos: um host IPv6 pode, por padro, autoconfigurar suas propriedades de rede em cada interface sem a necessidade de um servio DHCP, incluindo a descoberta de endereos de roteadores e outras propriedades de rede. Suporte Avanado a QoS: esta talvez seja uma das funes mais interessantes para sistemas de automao industrial. Mesmo utilizando criptografia com IPSec (o que uma dificuldade comum no uso de qualidade de servio em redes com IPv4), possvel fazer uso de QoS facilmente, j que o trfego identificado atravs dos novos campos no cabealho IPv6 (chamado flow label). Os roteadores na rede podem ler este cabealho e tomar decises com base nestes dados.

OS DESAFIOS DA TRANSIO E RECOMENDAESFalar de desafios futuros, na verdade, pode ser incorreto, dado que a transio j vem ocorrendo h bastante tempo. Na China, por exemplo, todos os dispositivos de rede utilizados nos jogos Olmpicos de Pequim utilizaram IPv6, incluindo dispositivos mveis, sistemas de transporte,InTech 129 31

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Para os que j esto pensando em iniciar a transio em breve, existem algumas recomendaes saudveis alm das j mencionadas: Dentre os aspectos chave a considerar, destacam-se o planejamento da arquitetura, treinamento, seleo do mecanismo de transio e atualizao de equipamentos. Ao iniciar novos projetos e comprar novos equipamentos, verificar compatibilidade, suporte ou previso de suporte a IPv6. Criar um roadmap de transio com previso de custos e prazo (que pode ser mais longo). Alinhamento com o time de TI essencial. Blocos de IPv6 j podem ser solicitados ao NIC.BR, embora tipicamente o fornecimento dos IPs seja feito atravs de um provedor de servios. Consultar as previses de transio do provedor adequado. Verificar o esforo relacionado aos sistemas operacionais e aplicaes na transio. Sistemas operacionais lanados recentemente j possuem suporte. No caso do Windows XP (massivamente utilizado em ambientes de TA), a primeira verso de suporte surgiu no Service Pack 1 do Windows XP, sendo aprimorada posteriormente para os verses futuras. No Linux, o primeiro cdigo do IPv6 foi adicionado ao kernel 2.1.8, com limitaes, com um suporte estvel compilado no kernel 2.2.x. O MAC OS j vem com o suporte IPv6 habilitado desde a verso jaguar 10.2. Muitosequipamentosdefirewallderedeedehostainda no suportam totalmente IPv6. Vale a pena conferir com o fabricante estratgias recomendadas para a interoperabilidade at a transio completa e estimativas de atualizao de firmware. Hdiversostutoriaiscomboasprticasparaatransioque esto sendo divulgados pelos fabricantes, principalmente. Consultar uma boa fonte durante o planejamento sugerido.

espera que a implementao ocorra de um dia para o outro na TA, mas pode-se dizer, com certeza, que o IPv4 continuar em funcionamento e que, assim como ocorreu para todas as grandes transies tecnolgicas dos sistemas de automao e controle, por um bom tempo haver a necessidade de convvio com este padro que em breve se tornar legado. Neste tempo, a convivncia se dar com as limitaes tcnicas criadas pela necessidade de uso das alternativas de tunelamento, dupla-pilha ou traduo, at que a continuao da convergncia TI-TA engula o IPv4, pelo menos para as plantas que optarem pelos vrios benefcios que ainda sero trazidos pela conectividade global. At agora, a adoo do IPv6 tem sido muito lenta por razes como a falta de conhecimento do assunto e dos benefcios trazidos, ou ausncia de suporte dos equipamentos e aplicaes. Muitos dizem que este continuar sendo o caso, at que exista um espao definido no mercado para as novas funcionalidades que o IPv6 oferece. Outros afirmam que, por se tratar a Internet de um ambiente comercial, haver presso de entidades do governo para a transio, mesmo que at agora no tenha sido possvel para muitas das empresas (com exceo dos provedores de servio), justificar o retorno deste investimento.REFERNCIAS 1. Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification. IETF, dezembro de 1998. Disponvel em: http://tools.ietf.org/html/rfc2460. ltimo acesso em 30/01/2011. 2. Classless Inter-Domain Routing (CIDR): an Address Assignment and Aggregation Strategy. IETF, setembro de 1993. Disponvel em: http://www.ietf.org/rfc/rfc1519.txt?number=1519. ltimo acesso em 30/01/2011. 3. Gallaher, M.P., Rowe, B. IPv6 Economic Impact Assessment: Final Report. RTI, outubro de 2005. Disponvel em: http://www.rti.org/publications/abstract.cfm?pub=6578. ltimo acesso em 30/01/2011. 4. HUSTON, Geoff. APNIC Asian Pacific Network Information Centre Projections. IPv4 Address Report. Disponvel em: http://www.potaroo.net/tools/IPv4/. ltimo acesso em 30/01/2011. 5. NIC.BR Comit Gestor da Internet no Brasil. Atividades do NIC.BR. Disponvel em: http://www.nic.br/sobre-nic/index.htm. ltimo acesso em 30/01/2011. 6. HSU, Ray. IPv6 addressing: where is the urgency for industrial networks? Industrial Ethernet Book Issue 54 / 39, 2009. Disponvel em: http://www.iebmedia.com. ltimo acesso em 30/01/2011. 7. APNIC Report APNIC triggers last of IANA IPv4 free pool space allocations. Disponvel em: http://www.apnic.net/publications/press/releases/2011/APNIC_ Final-Five.pdf

IPV6 E O FUTURO DA AUTOMAO COM ESCALABILIDADE, SEGURANA E INTEROPERABILIDADEA verdade que o contato com o IPv6 pela automao, e a sua adoo em maior ou menor grau, e de maneira mais ou menos lenta, ser inevitvel. Assim, quanto mais cedo forem compreendidos os seus requisitos e caractersticas, menores sero os custos de adequao da infraestrutura. No possvel estabelecer uma data para a virada e tampouco se32 InTech 129

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FILMES FOTOLUMINESCENTES APLICVEIS AO SENSORIAMENTO DE OXIGNIO E PRESSO AERODINMICAMe. Keth Rousbergue Maciel de Matos (keth.matos@gmail.com), Professor do Servio Nacional de Aprendizagem Industrial de So Paulo (Senai-SP); Victor Fernandes Borges (victorf_borges@hotmail.com), Centro de Capacitao e Pesquisa em Meio Ambiente (Cepema) da Universidade de So Paulo; Me. Mauro Sergio Braga (msbraga@lme.usp.br), Professor do Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia de So Paulo (IFSP Campus Cubato); Dr. Francisco Javier Ramirez Fernandez (jramirez@lme.usp.br), Coordenador da Rede NanoSenSIM e da Diviso de Sensores Integrados e Microssistemas (SIM) do Laboratrio de Microeletrnica da Escola Politcnica da USP (LME), onde Professor Titular; e Dr. Walter Jaimes Salcedo (wsalcedo@lme.usp.br), Professor Livre-Docente da Escola Politcnica da Universidade de So Paulo.

INTRODUOO avano desordenado na elaborao, fabricao e aplicao de produtos qumicos, observado nas ltimas dcadas, tem causado srios problemas ao meio ambiente. Atrelado a isso, a emisso de poluentes nos grandes centros urbanos e polos industriais alteram as condies do ar. Diversos rgos de controle e proteo ambiental vm cobrando mecanismos rpidos e eficientes de controle dos processos na busca pela reduo da emisso de poluentes e do monitoramento de tais emisses. Neste contexto, a deteco de oxignio obviamente um dos principais mecanismos necessrios anlise da qualidade do ar. Adicionalmente, a medio eficiente das concentraes de oxignio permite ainda aplicaes no estudo de aerodinmica, devido composio do ar, que tem o oxignio como principal elemento reativo. As indstrias aeroespacial e automobilstica tm interesse especial na evoluo das tcnicas de medio de presso aerodinmica existente na superfcie de corpos em deslocamento no ar. As medies de presso superficial tambm so muito valiosas especificamente no estudo e na identificao de fenmenos como a separao de camadas de borda ou o impacto de ondas de choque sobre

as superfcies. Outro uso crtico das medies de presso superficial consiste na validao de cdigos computacionais. Com o rpido aprimoramento dos mtodos computacionais de anlise da dinmica dos fludos (CFD computational fluid dynamics), a necessidade de dados detalhados e exatos de presso tem se tornado cada vez mais urgente, a fim de que novos cdigos possam ser testados adequadamente antes de serem utilizados nos processos de desenvolvimento. Os mtodos convencionais para o estudo do comportamento de peas de aeronaves e carros em tneis de vento tradicionalmente utilizam dispositivos discretos que so distribudos ao longo de uma superfcie e fornecem informao da presso local atravs de sinais eltricos. Em geral, a exatido nesses processos de medio bem conhecida. Contudo, a baixa resoluo espacial das medies a principal deficincia dessa tecnologia, uma vez que cada sensor, localizado em uma superfcie analisada, fornece informao da presso apenas na posio do dispositivo, no permitindo que seja analisado o espao entre sensores. Dessa forma, para se alcanar uma resoluo espacial razovel, necessrio instalar um grande nmero de dispositivos sobre a superfcie do modelo, o que demanda tempo e extremamente caro por requerer umInTech 129 33

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arranjo de cabos para conect-los a uma central eletrnica de aquisio das informaes de medio. Alm disso, quase impossvel instrumentar bordas finas e cantos dos perfis sobre um modelo frequentemente reas de grande interesse. Para tentar resolver essa problemtica, diversos estudos vm sendo realizados com o intuito de desenvolver dispositivos capazes de informar a presso dinmica de superfcies com alta resoluo espacial e sem a necessidade de transduo eltrica direta. Seguindo essa tendncia, os sensores pticos vm sendo desenvolvidos, baseados em diversas tecnologias, e alguns estudos tm sido dedicados especificamente medio de presso utilizando materiais luminescentes (ACOSTA et al., 2008; AMAO; ISHIKAWA; OKURA, 2001; AMAO; TAKEUCHI, 2005; CARRAWAY et al., 1991). O ar essencialmente composto por nitrognio e oxignio. Dessa forma, duas estratgias podem ser empregadas para medio da presso dinmica: uma delas utiliza transduo da fora exercida pelo ar sobre a superfcie analisada (TRIMMER, 1997 apud LEE et al. 2001); outra utiliza a interao do oxignio presente no ar, com dispositivos moleculares (BELL et al. 2001; AMAO; ISHIKAWA; OKURA, 2001; AMAO; TAKEUCHI, 2005; GOUTERMAN, 1997), como as tintas sensveis a presso (PSP). Para a adequada compreenso do funcionamento dos dispositivos tipo PSP, cabe esclarecer alguns fundamentos:

e o tempo de decaimento fluorescente normalmente muito pequeno (10-9 a 10-7 segundos, da mesma ordem do tempo de vida do estado excitado singleto). J a fosforescncia envolve uma mudana no spin do eltron e, ento, a transio do estado excitado tripleto (T1) ao estado fundamental singleto (S0) tem baixa probabilidade de ocorrncia e a emisso tem durao longa em torno de 10-5 segundos a horas (Figura 1) (AMAO; TAKEUCHI, 2005; RONDA, 2008).

Figura 1 Diagrama Jablonsky (AMAO; TAKEUCHI, 2005).

1.1 Supresso da fotoluminescncia pelo oxignio A emisso fotoluminescente pode ser reduzida ou extinta por interaes moleculares que provoquem a degenerao dos estados energticos da molcula ou crie estados intermedirios fornecendo caminhos alternativos para o decaimento no radiativo de eltrons na banda proibida, fazendo com que esses emitam a energia absorvida na forma de fnons. A esse efeito d-se o nome de supresso de luminescncia, fenmeno observado na interao das molculas de Octaetilporfirina de Platina (aqui estudadas) com o oxignio molecular. A supresso da emisso fotoluminescente de uma molcula por interao com o oxignio ocorre devido transferncia de carga do estado excitado da molcula para o oxignio em estado fundamental tripleto (FERNNDEZ-SNCHEZ et al., 2007). Devido ao fato de que os estado tripleto das molculas possuem maiores tempos de vida, elas esto mais suscetveis a interaes com outras molculas (AMAO; TAKEUCHI, 2005; RONDA, 2008). Dessa forma, se a molcula fotoluminescente for inserida em um ambiente com oxignio, por exemplo, e for sensvel a ele, haver grande probabilidade de interao, provocando o efeito da supresso da fotoluminescncia pelo oxignio.

1 FOTOLUMINESCNCIA A luminescncia a emisso espontnea de luz, produzida em certas molculas durante o retorno sua condio energtica original, aps excitao de eltrons nos estados energticos fundamentais, levando-os a estados energticos superiores. Assim, quando a molcula excitada retorna ao seu estado fundamental, ela luminesce emite luz (AMAO; TAKEUCHI, 2005; RONDA, 2008). As luminescncias recebem nome de acordo com o tipo de energia de excitao. Se a energia de excitao for de origem luminosa, d-se o nome de fotoluminescncia. Esta pode ser dividida em dois tipos: fluorescncia e fosforescncia. A primeira uma curta emisso a partir do retorno ao estado fundamental de um estado singleto com os eltrons com spin complementar. Como a transio do estado singleto excitado (S1) ao estado singleto fundamental (S0) permitida por spin (ocorre sem mudana de spin), ela tem alta probabilidade de ocorrer34 InTech 129

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2 TINTAS SENSVEIS A PRESSO As PSP so dispositivos sensores cujo mtodo ptico de medio de presso superficial baseado na supresso (AMAO; TAKEUCHI, 2005, CARRAWAY et al., 1991) ou na intensificao de luminescncia pelo oxignio (ACOSTA, 2009). As tcnicas de medio de presso de superfcie baseadas nas PSPs utilizam revestimentos luminescentes que so depositados na superfcie dos modelos analisados. Essa tcnica j vem sendo utilizada para a medio de presso em superfcies de aeronaves em tneis de vento em um arranjo relativamente simples (Figura 2) e de custo efetivo inferior ao que emprega centenas ou milhares de dispositivos de medio de presso distribudos discretamente sobre a superfcie do modelo (BELL et al., 2001; KOSE, 2005). Onde e

(1) so as intensidades de luminescncia e so

os tempos de vida dos estados ausncia de oxignio e concentrao te de oxignio, respectivamente. A constan dependente das constantes fsicas do sistema e, sob

condies experimentais definidas, pode ser considerada constante. Atravs da equao (1), possvel fazer medies dos tempos de vida ou das intensidades de luminescncia e ento relacionar essas medies s concentraes de oxignio (AMAO; ISHIKAWA; OKURA, 2001; AMAO; TAKEUCHI, 2005). Pode-se tambm simplificar a equao (1) em (2), para caracterizar experimentalmente os dispositivos PSP em termos de sua constante de Stern-Volmer. (2) Onde a constante de Stern-Volmer do sensor, que dependente das molculas

define sua sensibilidade e

fotoluminescentes e das caractersticas construtivas do dispositivo, e a presso parcial de oxignio na superfcie do sensor. Assim, o princpio desses sensores pticos de oxignio pode ser aplicado para medir a presso aerodinmica, porque a concentrao de oxignio no ar proporcional presso.

MATERIAIS E MTODOSFigura 2 Arranjo para medio de presso aerodinmica em tnel de vento utilizando as PSPs. (KOSE, 2005)

Os sensores produzidos no presente trabalho foram constitudos de um filme de poliestireno contendo molculas sensveis de Octaetilporfirina de Platina (PtOEP). Uma quantidade de 6 mg de PtOEP foi diluda em soluo contendo 1 g de Poliestireno (PS) e 5 mL de tolueno. Para homogeneizao e diluio completa do PtOEP, a mistura foi condicionada em ultrassom durante 30 min. Os filmes foram depositados sobre lminas de vidro (ativadas e no ativadas) pelo processo de revestimento por rotao (spin coating Figura 3). Nesse processo, a soluo foi gotejada sobre as lminas e estas foram rotacionadas durante 5 segundos a uma velocidade de 4000 RPM (rotaes por minuto) a fim de que o filme fosse homogeneamente espalhado na superfcie.

Nesse arranjo, toda a superfcie do modelo revestida com o filme sensvel (PSP). Os dispositivos do tipo PSP, no entanto, podem ser aplicados para a medio de presso nas mais variadas situaes e, de um modo geral, so constitudos por um substrato hospedeiro para molculas fotoluminescentes sensveis ao oxignio. Quando submetidos a ambientes com variadas concentraes de oxignio, observam-se variaes nas emisses fotoluminescentes devidas s interaes entre a molcula sensvel e as molculas do gs. Existe uma dependncia da permeabilidade da matriz hospedeira ao oxignio (na imensa maior parte das vezes, o elemento supressor). O funcionamento dos dispositivos PSP est baseado na difuso do oxignio. Se a supresso da luminescncia for devida difuso completa, ento as intensidades de luminescncia esto relacionadas concentrao do supressor pela equao de Stern-Volmer (AMAO; TAKEUCHI, 2005; CARRAWAY et al., 1991; FERNNDEZ-SNCHEZ et al., 2007).

Figura 3 Revestimento por rotao (spin coating). As amostras foram rotacionadas por 5 segundos a 4000 RPM.

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Para obteno do espectro de fotoluminescncia do sensor, foi utilizado um fluormetro Varian modelo Cary Eclipse. Os ensaios foram realizados com os dispositivos no interior de uma cmara construda em alumnio com uma janela de vidro polido para entrada e sada da luz. Na Figura 4 so mostrados os detalhes em corte da cmara de ensaio, e ao lado, a imagem dos dispositivos sensores no interior da cmara real fixada ao suporte do fluormetro.

RESULTADOS E DISCUSSESInicialmente, os dispositivos tipo PSP desenvolvidos no presente trabalho foram expostos a ambientes com concentraes de oxignio de 0% (99,999% N2), 21% (ar sinttico seco N2 ultra puro como gs de carga) e 100% (oxignio com pureza de 99,999%). Dessa forma, foram obtidos os espectros de emisso fotoluminescente das amostras (Figura 6).

a

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Figura 6 Espectros de emisso fotoluminescente (intensidades normalizadas) das PSP para concentraes de 0, 21 e 100% de oxignio. Filmes depositados sobre lminas de vidro (a) ativadas e (b) no ativadas. Figura 4 esquerda, vista 3D e em corte da cmara de ensaios; direita, imagem da cmara real com os filmes sensveis depositados no interior da cmara fixada no suporte do fluormetro.

As curvas obtidas so plenamente compatveis com o espectro de emisso da Pt-OEP e evidenciam a sensibilidade da Tinta Sensvel a Presso baseada nessa molcula. Esses resultados motivaram uma caracterizao mais detalhada dos dispositivos com o levantamento de suas curvas de respostas (Figura 7). Cada amostra foi exposta a diferentes concentraes de oxignio e as intensidades de emisso fotoluminescente foram monitoradas a 645,07 e 644,05 nm para as amostras ativadas e no ativadas, respectivamente, por serem os comprimentos de onda de maior sensibilidade, como mostram os espectros da Figura 6.

A temperatura das amostras foi mantida em 25C. A mistura gasosa injetada na cmara de ensaio foi obtida atravs de uma associao de dois rotmetros da Brooks Instrument Division Emerson Process, modelo 1355 e mantida a uma vazo total de 2 L/min. A Figura 5 mostra o diagrama do arranjo experimental e os detalhes do sistema utilizado para a obteno da mistura gasosa.

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b

Figura 5 Diagrama esquemtico do arranjo experimental.

Figura 7 Resposta dos dispositivos (para diferentes concentraes de oxignio e intensidades de fotoluminescncia normalizadas) baseados na emisso da Pt-OEP em filmes de poliestireno. Superfcie (a) ativada e (b) no ativada. As curvas em vermelho so aproximaes lineares das respostas dos dispositivos para concentraes de 0 a 21% de O2. As curvas em azul so aproximaes exponenciais de primeira ordem para concentraes de 0 a 100% de O2.

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Os sistemas de medio de presso superficial por PSP, assim como sensores dedicados ao monitoramento de oxignio do ar ambiente, operam na regio de concentrao de oxignio inferior a 21%. Nessa faixa, ambos dispositivos responderam esses com aprecivel no esto linearidade. Contudo, sensores

O grfico de Stern-Volmer apresenta no eixo vertical, a intensidade relativa de emisso e, no eixo horizontal, a presso parcial relativa de oxignio, seguindo o modelo da equao (2). Os grficos da Figura 8 mostram sensibilidade ligeiramente superior da amostra no ativada, em relao amostra ativada. Isso confirma que, para deposio de filmes sensveis a base de poliestireno, no se faz necessria a ativao das superfcies dos substratos (que podem ser a superfcie de asas de aeronaves em ensaios em tneis de vento, por exemplo), o que uma vantagem interessante por no trazer maiores complicaes e custos ao processo de fabricao dos sensores (ou das aplicaes de medio aerodinmica) que utilizam esse polmero como matriz de fixao das molculas sensveis.

limitados a tais aplicaes. A Figura 7 mostra que os dispositivos apresentam boa sensibilidade para faixa de medio de concentrao de oxignio de 0 a 100% e segue um modelo exponencial de resposta, facilmente modelado em 1 ordem, seguindo os parmetros de ajuste da Tabela 2. Tabela 1 Equaes de aproximaes linear e exponencial para as curvas de resposta das amostras ativada e no ativada.

CONCLUSESOs resultados apresentados evidenciam o potencial dos dispositivos PSP para medies de concentraes de oxignio em aplicaes ambientais, de presso de superfcies aerodinmicas, entre outras. A As constantes de Stern-Volmer (Ksv) dos dispositivos apresentados neste trabalho puderam ser obtidas a partir das curvas de Stern-Volter apresentadas na Figura 8: Ksv = 1,54 e 1,85 para amostras ativada e no ativada, respectivamente. molcula de Platina-Octaetilporfirina apresenta

grande sensibilidade ao oxignio, como reportado na literatura, e essa caracterstica atribuiu tima qualidade ao filme Pt-OEP/PS, uma vez que o poliestireno possui permeabilidade ao oxignio pouco inferior a outros polmeros fluorados, recentemente reportados pela comunidade cientfica e com custo ainda muito superior ao PS. O ponto forte do uso do poliestireno como matriz de fixao qualidade de deposio, que dispensa ativao de superfcie, uma vez que as amostras ativadas e no ativadas responderam de maneira igualmente satisfatria, com alguma vantagem das amostras no ativadas que apresentaram sensibilidade levemente superior. Os filmes sensveis ao oxignio constituem uma

Figura 8 Curvas de Stern-Volmer para as amostras ativadas e no ativadas. No eixo vertical est a intensidade relativa de emisso fotoluminescente e, no eixo horizontal, a presso parcial relativa de oxignio.

tecnologia comunidade

recente

e

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grande ltimas

interesse