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ISA 100 e WirelessHART Aplicações de Redes Sem Fio na Instrumentação e Controle de Processos Industriais

1 MÁRCIO VENTURELLI

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Márcio Venturelli

ISA 100 e WirelessHART

Aplicações de Redes Sem Fio na Instrumentação e

Controle de Processos Industriais



Este artigo e apresentação têm como principal objetivo demostrar

de forma simplificada e rápida a utilização da tecnologia ISA 100 e

WirelessHART nas aplicações de instrumentação e controle de

processos industriais.

Este texto não tem a intenção em nenhum momento de descrever

detalhes técnicos de funcionamento do protocolo e norma, muito

menos de polarizar e formar opinião entre as diferenças de

tecnologia, mesmo porque o usuário final é quem “manda”, portanto

escolhe o que quer.

Nossa intenção com este trabalho é somar a tantos textos de

excelente qualidade que há disponível, tanto em termos

tecnológicos quanto de aplicações, os fabricantes de diversos

equipamentos desta linha ofertam aos usuários amplo

conhecimento da aplicação, seus benefícios e peculiaridades de

cada solução.

Como estamos falando duas tecnologias distintas, porém com

objetivos únicos, comunicação de instrumentos na indústria,

procuramos aqui, tangenciar elementos comuns da aplicação,

sendo a escolha de um ou outro, ficando a cargo de cada usuário.

Observamos em diversas pesquisas que muitos usuários,

estudantes e engenheiros de aplicações têm dificuldades de uma

visão geral da tecnologia e ter um norte de estudo para iniciar

conceitos sobre uma demanda na solução na indústria e nossa

intenção e preencher de forma simples esta lacuna.



Em nenhum momento queremos esgotar o assunto, o modelo de

nossas apresentações e textos são sucintos e práticos, desde já

sugerimos complementações em pesquisas sobre os termos aqui

explicitados.

Para orientar nosso texto, vamos falar sobre algumas questões

comuns nas aplicações Wireless, lembrando que o nível de

aplicação está na instrumentação do processo:

Quais justificativas para utilização de Wireless na Indústria;

Quais benefícios na utilização de Wireless na Indústria;

Quais tecnologias estão no mercado e suas aplicações

práticas.

A fim de limitar o escopo de aplicação da tecnologia sem fio,

mostramos abaixo os principais cenários e aplicações comuns na

indústria destes tipos de soluções:

Necessito fazer uma medição de temperatura em um local

onde a máquina é rotativa e se desloca, não há como cabear

a instrumentação, além de ser um ambiente agressivo;

Preciso aquisitar dados de diversos pontos do processo de

difícil acesso, com objetivo de gerenciar o ativo da planta;

Desenvolver um controle de nível de baixa criticidade,

substituindo uma operação manual remota, apenas

colocando medição e atuador Wireless.

O que a tecnologia Wireless na instrumentação e controle é afinal?

É importante entender o seu conceito principal quanto à aplicação:



Instrumentação Wireless é a tecnologia de medição e

controle (sem criticidade) sem utilização fios no processo

industrial;

Ela não substitui a convencional, esta tecnologia

complementa suas aplicações, antes não possível;

A implantação é rápida, segura e eficaz, já obtendo

benefícios imediatos pós-investimento.

Por conceito o funcionamento da comunicação Wireless é através

da propagação das ondas eletromagnéticas, há um arranjo

eletrônico nos dispositivos, onde as informações são trocadas

através das antenas dos equipamentos, por esta propagação

eletromagnética, originada pela onda elétrica (movimento dos

elétrons), trafegam informações devidamente codificadas e

interpretadas entre os dispositivos, formando a rede de

comunicação, através de um protocolo.

A história das telecomunicações se inicia na descoberta da indução

eletromagnética por Michael Faraday (1831), percorrendo um longo

caminho através do tempo, com diversas pesquisas e evolução

tecnológica.

Em 2004 temos a versão do WirelessHART, onde o protocolo

HART, já existia, passando a interconectar instrumentos de forma

sem fios e, em 2009, a ISA, lança a primeira versão do norma ISA

100.11a, que tem os mesmos objetivos básicos, fazer

instrumentação e controle de processos industriais sem fio.



Com esta evolução, seguimos mais um passo tecnológico pós-redes

industriais nos barramentos de campo, pois agora utilizamos o meio

sem fio com protocolos industriais padrão e aberto, iniciando uma

nova fase evolutiva na automação industrial.

Podemos justificar as aplicações Wireless na indústria da seguinte

forma, isto é, onde podemos aplicar de forma a obter benefícios:

Instrumentação convencional (fiação) não é possível;

Viabilidade de medição pela quantidade de instrumentos

(função);

Facilidade de manutenção e monitoramento (acesso);

Disponibilidade da informação em múltiplos locais;

Interconexão a longa distância.

Apresemos abaixo alguns dos principais benefícios no uso da

tecnologia Wireless:

Aplicações Especiais;

Mobilidade;

Alcance;

Flexibilidade;

Confiabilidade;

Implantação Rápida;

Custo de Manutenção;

Imunidade a Ruído;

Custo Projeto / Instalação (viabilidade);

Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança.



Dentro das aplicações Wireless há enquadramentos quanto a

abrangência, tanto de distâncias quanto de pacote de dados, em

nosso caso, para ISA 100 e WirelessHART, vamos nos enquadrar

na IEEE 802.15, que é a norma que trata das redes WPAN, que são

redes locais, onde o protocolo e a norma se encaixam.

As características básicas de uma rede Wireless de instrumentação

e controle de processo são:

Instrumentos de medição;

Adaptadores de instrumentos com fio;

Repetidores de comunicação na rede;

Gateway de dados;

Controlador PLC/DCS;

Estação de Engenharia.

A ISA 100 é uma norma, onde define aplicações desde o nível

sensor, que é a instrumentação que é nosso objetivo do texto, até

comunicações em backbone, isto é, esta norma tem uma

abrangência além da instrumentação do campo, por isso temos

suas divisões.

A ISA 100.11a, define os padrões para sensores de rede, a

instrumentação de medição do processo e a ISA 100.15, define

padrões para comunicação Wi-Fi e 3G, por exemplo, é o que se

chama de backhaul, que nada mais é do que a integração de

diversos níveis, por gateways multiprotocolos na rede.



Nosso principal objetivo é comentar sobre a ISA100.11a , pois trata

dos instrumentos no campo, aplicações equivalentes ao

WirelessHART.

A ISA 100 define os limites de aplicações para instrumentação e

controle de campo através de classes, são 5 classes, onde das

classes 2 a 5 pode-se aplicar a tecnologia Wireless de forma

satisfatória, atendendo requisitos, logo há restrições quanto a classe

0, que são ações de emergência e classe 1, que é controle

regulatório, malha crítica.

Há na ISA 100.11a, a característica da interoperabilidade entre

redes, isto é, podemos ter diversos protocolos, FF, Profibus PA, por

exemplo, comunicando pelo mesmo backbone, os gateways

interpretam as informações e na ponta temos de forma transparente

os dados dos instrumentos na rede.

O padrão ISA 100 tem a característica de trabalhar com diversos

protocolos, utilizando gateways universais.

O padrão ISA 100.15 tem o principal objetivo de criar um “túnel” de

diversos protocolos e redes sem fio, podendo inclusive comunicar

em níveis diferentes, a principal ideia é poder convergir os sistemas

de comunicação da planta.

As redes WirelessHART seguem as mesma ideia do ISA 100.11a, o

que é mais importante entender é que o protocolo é o HART, já

conhecimento e amadurecido no mercado, muito conhecido no

meio dos instrumentos com fio, agora comunicando de forma sem

fio.



Algumas características do WirelessHART:

Taxa de comunicação de 250 Kb/s em 2.4 GHz;

16 Canais de Rádio;

Modulação Digital baseada em DSSS;

Operação Ponto-a-Ponto para permitir a formação de rede

Mesh;

“Ouvir antes de Falar” para acesso ao canal (CSMA-CA );

Endereçamento dinâmico e flexível dos devices;

Protocolo amigável para confiabilidade na transferência;

Baixo consumo de energia.

Comparações entre WirelessHART e ISA 100.11a, são comuns,

todavia é sempre importante se ater a aplicação, isto é, a

necessidade e a solução de sua demanda, todas as tecnologias tem

suas característica, observe o quadro da apresentação.

Outra discussão comum é quanto ao controle, se é possível e

prudente efetuar controle com redes Wireless, já apresentamos

anteriormente esta questão dentro das classes que a própria ISA

100 define, todavia podemos afirmar que é totalmente possível sim

efetuar controles, sempre observando criticidade e segurança.

Muitas aplicações de controle Wireless comum são substituições de

comandos em campo manuais, por exemplo, de abertura e

fechamento de válvulas e desligamentos de segurança de processo,

não críticos, eliminando operações manuais, inclusive elevando o

padrão de segurança do processo.



O gerenciamento de ativos já é comum e de grande destaque no

uso de protocolos industriais e com as redes Wireless, potencializa

sua aplicação.

Em muitos casos não há automação para obtenção de informações

na rede de controle para fazer a gestão dos ativos, a rede Wireless

passa a ser uma opção de aplicação rápida e consistente para levar

informações do campo para a manutenção e operação, ganhando

em informações preditivas dos equipamentos e processos.

A questão da segurança também remete a muitas preocupações,

pois é uma rede que está “aberta”, todavia há nos protocolos a

tecnologia capaz de gerenciar as informações que trafegam por

esta rede.

De acordo com a segurança da rede industrial, existem três

aspectos que devem ser considerados: confidencialidade,

integridade e disponibilidade.

Confidencialidade: Garantia da informação somente para

usuário autorizado;

Integridade: Informação somente pode ser modificada

por usuário autorizado;

Disponibilidade: Acesso permanente as informação pelos

usuários autorizados.

A montagem de uma rede sem fio é simples no entendimento da

conexão mecânica, uma vez que não há cabeamento, logo a

questão da topologia está ligada ao conexão lógica da rede, isto é,



ao seu arranjo que é efetuado no comissionamento e configuração

do sistema de comunicação.

As redes WirelessHART e ISA100 permitem alguns arranjos de

topologia, normalmente Mesh e Estrela, para esta definição há de

considerar variáveis de instalação, bloqueios físicos, limitações de

visada, quantidade de instrumentos, distâncias de comunicação,

entre outros, pois a principal variável é a atenuação do sinal, onde

no resultado final deve haver uma boa qualidade dos sinais se

intercomunicando.

A implantação de uma rede Wireless exige um bom planejamento e

projeto, passamos abaixo algumas dicas importantes, não é um

roteiro e não abrange todo um projeto, mas são informações que

devem ser levadas em consideração:

Planeje o projeto, tenha uma visão clara do objetivo de

sua rede;

Discuta com seu fornecedor a melhor tecnologia a ser

aplicada em sua planta, há muitas soluções;

Se necessário contrate um serviço de Site Survey, que é

o projeto da rede Wireless com todos os detalhes de

sinais, visadas, repetidores, entre outros;

Planifique os instrumentos e o Gateway, lembre-se que

os instrumentos transmitirão informações e também

funcionarão como repetidores;

Analise as visadas da planta, pelo menos 25% dos

instrumentos devem ter conexão direta com o Gateway,

caso não ocorra utilize repetidores;



Cada instrumento deve se comunicar com no mínimo 3

vizinhos e o Gateway com 5 instrumentos (redes

grandes);

Verifique se precisam acoplar outros protocolos ou

instrumentos com fio, use os conversores Wireless;

Configure as taxas de atualização, lembre-se que a

durabilidade da bateria depende desta configuração;

Após comissionamento aguarde 4 horas e analise as

interconexões dos instrumentos, se está minimamente

em quantidade de acoplamentos e qualidade de sinais;

Outros pontos a considerar:

Área Classificada: As soluções Wireless são aplicadas

em áreas Ex, analise das instalações do Gateway na

planta;

Baterias: O que define sua vida útil são principalmente

as taxas de atualização, planeje otimamente o uso da

informação;

Controle e Criticidade: Informações para controle de

processos e informações críticas devem ser analisadas

se podem ser colocada em Wireless, normalmente não

se aplicam, todavia um estudo de impactos é necessário.

Podemos comentar sobre algumas tendências em redes Wireless

em função das tecnologias atuais e sinais de evolução tecnológicas

atuais:



Ampla utilização das redes Wireless para

Instrumentação, com objetivo de Gerenciamento de

Ativos On-Line;

Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para

armazenamento e análise de dados da Operação e

Manutenção;

Convergência de Protocolos e Camadas de informações,

horizontalizando as informações para a Indústria 4.0.

Concluímos que as redes sem fio para aplicação industrial estão em

crescimento, para instrumentação e controle é um grande avanço,

complementando soluções antes não possíveis. Somado ao fato

que o aumento das informações de planta permitem soluções que

remetem ao conceito da Indústria 4.0.



SOBRE O AUTOR

• Márcio Venturelli trabalha no mercado

de automação industrial há 20 anos, tendo

passado por diversos departamentos, tais

como, assistência técnica, treinamentos,

comissionamento, projetos, engenharia,

marketing e negócios.

• Trabalhou em diversos projetos de

implantação de sistemas de automação e

controle operacional de plantas de

bioenergia, transformação e manufatura, no

Brasil e no exterior.

• Atualmente trabalha como eng. de soluções

em Conectividade e Redes Industriais,

desenhando soluções de automação e

controle de processos, aderente a Indústria

4.0.

• Professor universitário de pós-graduação de

automação industrial e gerenciamento de

projetos.

• Membro Sênior da ISA (Sociedade

Internacional da Automação), Diretor Técnico

da ISA e Membro do Comitê ISA 99 e ISA 100,

Diretor de Safety Bus da PI (Profibus

Internacional).

• Graduado em Ciência da Computação, com

especialização em Controle e Automação

Industrial, Pós-Graduado em Gestão

Industrial, Pós-Graduado em Tecnologia do

Petróleo e Gás e possui MBA em Estratégia de

Negócios.

ATUALIZADO MAR/2016

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