UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TECNOLOGIA WIRELESS APLICADA A SEGURANÇA EM CÉLULAS DE MANUFATURA. Área de Engenharia Elétrica

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1 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TECNOLOGIA WIRELESS APLICADA A SEGURANÇA EM CÉLULAS DE MANUFATURA Área de Engenharia Elétrica por Michael Ribas de Alcantara Nania Débora Meyhofer Ferreira, MSc Orientador Campinas (SP), Novembro de 2009

2 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TECNOLOGIA WIRELESS APLICADA A SEGURANÇA EM CÉLULAS DE MANUFATURA Área de Engenharia Elétrica por Michael Ribas de Alcantara Nania Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientador: Débora Meyhofer Ferreira, MSc Campinas (SP), Novembro de 2009 i

3 SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS... iii LISTA DE FIGURAS... iv LISTA DE TABELAS... v LISTA DE FOTOGRAFIAS... vi RESUMO... vii ABSTRACT... viii 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos METODOLOGIA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Ambiente Industrial Células de Manufatura TEORIA SOBRE SEGURANÇA DE MÁQUINAS SISTEMAS INSTRUMENTADOS DE SEGURANÇA SIS CLASSES DE INTEGRIDADE HISTÓRICO DAS APLICAÇÕES WIRELESS EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS WIRELESS CONCEITO DE REDES E TOPOLOGIAS DE DISPOSITIVOS INDUSTRIAIS SEM FIO PADRÕES IEEE UTILIZADOS NA INDÚSTRIA CODIFICAÇÃO UTILIZADA PELOS DISPOSITIVOS WIRELESS FREQUENCY HOPPING SPREAD SPECTRUM (FHSS) PADRÃO DIRECT SEQUENCE SPREAD SPECTRUM (DSSS) ESTUDO DE RISCO DE UMA MÁQUINA EM UMA CÉLULA DE MANUFATURA UTILIZANDO DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA WIRELESS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO I NBR SEGURANÇA DE MÁQUINAS EQUIPAMENTOS DE PARADA DE EMERGÊNCIA...32 ii

4 LISTA DE ABREVIATURAS TCC USF NR CLT DSST NBR ISO CLP ART NF EN MS SIL ISA IEC AM FM khz MHz W ma mv ISM GHz IEEE WAN MAN LAN PAN RFID DSSS MAC UNII ZR ZC ZED FHSS PCMCIA Trabalho de Conclusão de Curso Universidade São Francisco Norma Regulamentadora Consolidação das Leis do Trabalho Diretor de Saúde e Segurança no Trabalho Norma Brasileira Regulamentadora Internacional Organization for Standardization Controlador Lógico Programável Anotação de Responsabilidade Técnica Normalmente Fechados Norma Européia Mili segundos Nível de Integridade de Segurança Associação Internacional de Automação Comissão Internacional de Eletrotécnica Amplitude Modulation Frequency Modulation Kilo Hertz Mega Hertz Watts Mili Ampere Mili Volt Industrial Scientific e Medical Giga Hertz Institute for Electrical and Eletronic Engineers Wide Area Network Metropolitan Area Network Local Area Network Personal Area Network Radio Frequency Indentification Direct Spread Spectrum Sequence Media Access Control Unlicensed National Information Infrastructure Zigbee Router Zigbee Coordinator Zigbee End Device Frequency Hopping Spread Spectrum Personal Computer Memory Card International Association iii

5 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Aplicação wireless na indústria Fonte: Apostila [9]...5 Figura 2. Exemplo de uma célula de manufatura flexível Fonte: Adaptado Nortegubisian (2009)...6 Figura 3. Layout focalizado de processo Fonte: Nortegubisian (2009)...7 Figura 4. Layouy focalizado do produto Fonte: Nortegubisian (2009)...8 Figura 5. Exemplo de um relé de segurança para proteção de um sistema de manufatura Fonte: Adaptado Plitz (2009)...9 Figura 6. Relé de Segurança: (a) Botão de emergência (b)...11 Figura 7. Módulo transmissor de wireless Fonte: Pepper Fuchs (2009)...17 Figura 8. Topologias utilizadas pela tecnologia Zigbee Fonte: Wikiac (2009)...20 Figura 9. Comparação do Zigbee com outras tecnologias wireless Fonte: Wikiac (2009)...21 Figura 10. Frequência de comunicação dos equipamentos atuais Fonte: Apostila [1]...23 Figura 11. Tela de software de medição de sinal Fonte: Acervo próprio...27 iv

6 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Desempenho de Segurança Tabela 2. Classe de integridade para um projeto SIS v

7 LISTA DE FOTOGRAFIAS Foto 1. Rádio modem utilizado para conexão ponto a ponto Foto 2. Painel (a) Máquina (b) antes da instalação dos dispositivos wireless...28 vi

8 RESUMO RIBAS DE ALCANTARA, Michael. Tecnologia Wireless Aplicada a Segurança em Células de Manufatura. Campinas, Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, Nos últimos anos, a preocupação com a integridade física dos colaboradores nas organizações aparece como um item não somente importante, mas também mandatório. Nesta direção, são ainda mais rigorosas as leis e normas que permitem e regulamentam as empresas e os equipamentos a funcionarem garantindo a segurança de trabalhadores que nelas operam. Em busca de melhores resultados em produtividade e zero acidentes, são grandes os esforços na implementação de tecnologias que possam nortear estas metas. Eliminando os riscos, trazendo ao trabalho várias formas de oferecer segurança ao operador e a própria máquina. A automação industrial vem de encontro com as normas e leis que regem a segurança do trabalho dentro das organizações, determinando característica que devem ocorrer e ter nos processos com sistemas nos quais permitem a prática com uma maior segurança. O principal intuito desse projeto é analisar as evoluções tecnológicas. Os sistemas de segurança em células de manufatura utilizando a tecnologia wireless, que estão apresentados ao longo do trabalho, retratando como serão possíveis as práticas, suas características e ainda suas limitações atuais. Demonstrar a operacionalização com o sistema sem fio aumenta a eficiência, maximiza a produção, melhora condições de segurança, material e humana. Palavras-chave: Wireless. Segurança. Sensores. Máquinas. vii

9 ABSTRACT In recent years, concern for the physical integrity of employees in organizations appears as an item not only important but mandatory. In this sense, are even more stringent laws and regulations that permit and regulate the business and operate equipment to ensure safety of workers who operate them. In search of better results in productivity and "zero accidents" are great efforts in the implementation of technologies that can guide these goals. Eliminating the risks, bringing the work several ways to provide security to the operator and the machine itself. Industrial automation is against the rules and laws governing workplace safety within the organization, determining feature that should occur and processes have on the system and practice of greater security. The main purpose of this project is to analyze the technological developments. Security systems in manufacturing cells using wireless technology, which are presented throughout the paper, depicting how the practices are possible, its characteristics and also its current limitations. Demonstrate the operation of the wireless system increases the efficiency, maximize production, improve safety conditions, material and human. Keywords: Wireless. Safety. Machines. viii

10 1. INTRODUÇÃO Com a crescente necessidade do mercado de automação industrial ávido por redução de tempo e custos em geral e flexibilidade para mudanças rápidas, a tecnologia wireless tornou- se uma importante aliada destas empresas para atingir seus objetivos. Esta tecnologia tem sido utilizada em diversos setores deste ramo de atividade tais como monitoramento de máquinas, dados de instrumentos de campo, controle de atuadores (válvulas e motores) e instrumentos envolvidos em diversos tipos de processo, tornando se uma realidade em ambientes industriais. Esta tecnologia tem sido severamente estudada por uma infinidade de técnicos, engenheiros e os próprios usuários, que buscam uma padronização com o objetivo de difundir e contribuir para o avanço deste novo recurso que ainda necessita de muitas normas que regulamentem sua utilização. Com base nestas informações este trabalho descreve mais uma possibilidade de uso desta tecnologia em aplicações de segurança em específico, de máquinas operatrizes em células de manufatura que requerem respostas rápidas em ações de proteção e um elevado nível de integridade do sinal de comando de paradas e travamento com intuito de preservar o estado físico dos operadores, ou seja o maior patrimônio de todas as empresas, a vida humana OBJETIVOS Objetivo Geral Este trabalho tem por objetivo estudar a tecnologia de transmissão sem fio através de rádiofrequência em aplicações de controle e segurança de máquinas pesadas em uma célula de manufatura. Através do conceito adquirido, estabelecer comparações entre o tempo de acionamento do sistema de segurança e o tempo real mínimo exigido para uma resposta eficaz do processo Objetivos Específicos Para a aplicação e testes foram consideras situação reais, de tempos e respostas levando em consideração os limites estabelecidos pelos órgãos reguladores competentes. 1

11 1.2. METODOLOGIA Para a realização deste estudo, foi necessário um minucioso levantamento das principais tecnologias sem fio(wireless) utilizadas no mercado de automação industrial. Primeiramente é apresentado um breve descritivo do funcionamento destes dispositivos e suas aplicações em diversos ambientes industriais. Para compor os dados existentes neste trabalho, foram realizadas pesquisas junto a alguns dos fabricantes e empresas de consultoria do mercado de automação industrial. Com posse dos dados sobre estes equipamentos, foi possível um dedicado estudo do funcionamento, ou seja, identificar o modo como operam e transmitem os sinais recebidos de um elemento primário (acionador) oriundos do sistema de segurança. Após esta análise procurou-se estudar as diversas normas de segurança para equipamentos pesados e utilização de máquinas, visando a possível implantação de um sistema instrumentado que garanta a integridade do operador. Por final, em um estudo de caso foi feita uma comparação entre o tempo de ativação do sistema e o tempo real necessário para um funcionamento eficaz do sistema. 2

12 1.3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Por se tratar de um dos assuntos mais discutidos entre profissionais do ramo da automação industrial, este trabalho torna-se relevante para futuras pesquisas e fonte de conhecimento para profissionais que queiram se especializar, e para todos que queiram se aprofundar e contribuir para a difusão desta tecnologia, que surge como uma das áreas mais promissoras do mercado, tanto em telecomunicações como em aplicações vistas neste estudo. Tema de debates acalorados, os dispositivos de instrumentação wireless causam ceticismo ao mesmo tempo em que promete revolucionar o mercado da automação sem fio, com a promessa de baixo custo, fácil operação e baixa manutenção aparecendo como um dos principais destaques do cenário tecnológico atual. 2. Ambiente Industrial A instrumentação wireless em aplicações para monitoramento e controle na indústria, de acordo com IVO [1] lideram no quesito aplicação da tecnologia wireless em automação industrial, mas ainda há muito que ser feito para a aceitação do mercado. Neste capítulo são expostos alguns tópicos que definem o quadro atual da aplicação desta tecnologia em ambientes industriais. Para fins de monitoramento, esta tecnologia tem uma grande aceitação, sendo utilizada para medições em telemetria com bastante frequência. Para este tipo de função não se requer uma taxa de transmissão muito alta, com taxas de aquisição que variam na ordem dos segundos até algumas horas de registros, dependendo do tipo de variável a medir e do grau de criticidade das atualizações das mesmas. No mercado de automação. É possível encontrar equipamentos que utilizam a tecnologia wireless em diversas aplicações, tais como, a medição de temperatura em equipamentos rotativos, monitoramento para análise de vibração em máquinas e motores, sistemas de abastecimento de água e até controle de ativos na indústria. Mas ainda há alguns problemas, tais como equipamentos que utilizam baterias e necessitam de trocas freqüentes das mesmas. Em aplicações para automação de processos, tais como medições de variáveis em locais distantes dos centros de controle, controle de bombas on/off e medições de variáveis não críticas, uma conexão sem fio pode oferecer economias consideráveis, tanto em tempo gasto quanto em custos envolvidos. Mas a aplicação desta tecnologia deve atender algumas exigências quando utilizados para controle e monitoramento de variáveis ou segurança na indústria: 3

13 Alto grau de confiabilidade e alcance de alguns metros a alguns quilômetros; Transmissão cíclica de um pequeno número de bits ou bytes; Tempo de transmissão da ordem de milisegundos e alto grau de interoperabilidade. Já em aplicações relacionadas à automação da manufatura, onde a fiação de longas distâncias é ausente, e as redes são altamente distribuídas, a tecnologia wireless deve ser estudada com cuidado. Quando o assunto é custo, a transmissão de dados e sinais torna-se efetiva onde as instalações de cabos e linhas forem estáticas. O sistema de automação da manufatura é um caso a parte, pois se caracteriza por uma alta flexibilidade da linha, e tempo de reposta abaixo da ordem de milisegundos em intervalos determinísticos, como no caso de sensores de robôs e aplicações de segurança ou comandos de emergência, que definem o nível de integridade e segurança das máquinas. Para estes casos ainda não há padrões definidos, e equipamentos wireless que sejam recomendados (ver resolução da ISA SP100). O sistema deve suportar uma operação paralela de um grande número de sistemas sem fio em espaço reduzido, com um fator importante a ser considerado, ou seja, que não haja interferências com outros sistemas sem fio, especialmente redes wireless do padrão [2]. 4

14 Células de Manufatura Figura 1. Aplicações Wireless na Indústria Fonte: Adaptado da Apostila (2009) A manufatura baseada em células, representa um esforço para combinar a eficiência do layout (arranjo físico) do produto orientado a um fluxo com a flexibilidade do layout de processo orientado a centro de trabalhos [3]. Por exemplo, peças semelhantes ao serem produzidas em série podem ser agrupadas em famílias de peças, uma vez que, são feitas da mesma maneira, podem ser agrupadas em uma mesma máquina ou célula, reduzindo assim o tempo de preparação de máquina (setup). Alguns tipos de Layout utilizados na indústria de manufatura: 5

15 Figura 2. Exemplo de uma célula de manufatura flexível Fonte: Adaptado Nortegubisian (2009) Layout focalizado processo (funcional) É utilizada para descrever o tipo de organização na qual as operações de produção são agrupadas de acordo com o tipo de processo [3]. Em outras palavras, todas as operações de produção que tem processo tecnológico similares são agrupadas para formar um departamento.por exemplo, todas as operações de uma fábrica, que envolvem estampo, serão agrupadas para formar um departamento de estampo. 6

16 Figura 3. Layout focalizado de Processo Fonte: Nortegubisian (2009) Layout focalizado no produto (em linha) É utilizado para descrever um tipo de organização da produção em que os departamentos de produção são organizados de acordo com o produto ou serviço produzido. Os produtos e ou serviços traçam uma linha reta ao longo da produção. 7

17 Figura 4. Layout focalizado no Produto Fonte: Nortegubisian (2009) Segundo IVO [1] a conexão de equipamentos sem fio empregados em controle de plantas industriais deve atender ao desgaste que o meio oferece com tempos de transmissão de dados curtos e determinísticos, mensurados abaixo de 100 milisegundos. Estes sistemas devem suportar uma operação paralela de um grande número de sistemas sem fio em espaço reduzido, com um fator importante a ser considerado, ou seja, que não haja interferências com outros sistemas sem fio, especialmente redes wireless do padrão TEORIA SOBRE SEGURANÇA DE MÁQUINAS Este capítulo aborda alguns itens importantes que devem ser considerados em um projeto de segurança de máquina, em específico a estudada neste trabalho (prensa mecânica). De acordo com a nota técnica a seguir, que estabelece princípios para a proteção de prensas e equipamentos similares pode-se definir com clareza os principais aspectos para um projeto seguro. Algumas das mais importantes e relevantes normas para aplicação e utilização neste estudo estão citadas no anexo. 8

18 Figura 5. Exemplo de um relé de segurança para proteção de um sistema de manufatura Fonte: Adaptado Piltz (2009) Definição de tempo real em sistemas de segurança Um sistema de tempo real é aquele que deve reagir a estímulos originários de seu ambiente em prazo específico e determinístico. O atendimento desses prazos resulta em requisitos de natureza temporal sobre esses sistemas como no caso de aplicações de segurança, onde as ações emergenciais são sempre críticas. Os sistemas de tempo real podem ser classificados em: Sistemas não críticos, ou seja, quando as consequências de uma possível falha devido ao atraso de tempo torna-se da mesma ordem de grandeza que os benefícios do sistema em operação normal, como por exemplo um sistema de comutação em telefonia. Sistemas críticos, ou seja, quando as consequências de pelo menos uma falha temporal excedam em muito os benefícios normais do sistema, como por exemplo a parada de emergência de uma máquina. Este sistema ainda pode ser subdividido em: 9

19 Sistema de tempo real crítico em seguros em caso de falha, denominado fail safe, onde um ou muitos estados seguros podem ser atingidos em caso de falha; Sistema de tempo real crítico operacional em caso de falha, onde na presença de falhas ditas parciais, se degradam mais ainda fornece um mínimo requerido para um funcionamento seguro. RELÉS DE SEGURANÇA Com a publicação da norma EN em novembro de 1998, os dispositivos eletrônicos entraram no mundo das aplicações em segurança, espaço até então reservado apenas para dispositivos eletromecânicos (relés). A condição para que tais dispositivos sejam utilizados em sistemas de segurança é que eles possuam as mesmas características de segurança dos dispositivos convencionais. As principais aplicações dos relés de segurança, são como componentes dos circuitos de parada de emergência em máquinas e circuitos de vigilância de portas de segurança. Estes equipamentos recebem sinais dos sensores que supervisionam os contatos do sistema de parada de emergência das máquinas (indutivos, de presença, cortina de luz, chaves fim de curso e etc) de acordo com ação requerida para prevenção de acidentes [4]. Outra aplicação, é a utilização nos circuitos de segurança de prensas e similares objeto deste estudo. Os relés de segurança são utilizados em circuitos pouco complexos. Em grandes instalações utilizam-se os CLP's de segurança juntamente com módulos de expansão. Chaves de parada de emergência devem ter prioridade sobre qualquer função da máquina no evento de seu acionamento, a liberação desta chave não deve partir novamente a máquina, a chave de parada de emergência deve executar paradas de categoria 0 (desligamento imediato) ou categoria 1 (desligamento com retardo). No caso de monitoração de portas de proteção, conforme a norma EN 1088, deve-se levar em consideração o tipo de proteção a ser monitorada para a execução do intertravamento. Por exemplo, em uma prensa com comando bi-manual deve garantir que o operador esteja com as mãos longe de áreas de risco no momento do acionamento da máquina. Para evitar burla, os dois acionamentos do comando bi-manual deverão ser pressionados com simultaneidade, isto é, devem ser pressionados com uma diferença máxima de tempo de 300ms e ter uma resposta em tempo real. 10

20 Figuras: 6a Relé de segurança 6b Botão de emergência Fonte: Acervo próprio Unidades de expansão: São utilizadas para ampliar o número de contatos dos dispositivos básicos. Uma unidade de expansão não deve ser utilizada de maneira independente, deve sempre ser conectada a um dispositivo básico. A categoria de segurança da unidade de expansão deve corresponder à categoria do relé de segurança. Desenho 1: Arquitetura de um relé de segurança Fonte:Pilz,

21 4. SISTEMAS INSTRUMENTADOS DE SEGURANÇA SIS Definição: É um sistema composto por um elemento executor de lógica ( CLP ou Relés de segurança )e elemento final, objetivando um estado seguro do processo quando condições pré determinadas forem violadas [5]. O conceito de SIL (Nível de Integridade de Segurança), introduzido pelas normas ISA (Associação Internacional de Automação) 84.01e IEC (Comissão Internacional de Eletrotécnica) , estabelece uma ordem de grandeza para a redução do risco - ou o nível de robustez necessário a ser implementado de forma a reduzir o risco do processo a níveis aceitáveis. O SIL é um número que varia de 1 a 4 - e quanto maior o SIL mais crítico é o processo. O SIL da malha é determinado pela soma das probabilidades de falha em demanda de cada um dos componentes da malha. Todos os equipamentos que fazem parte do SIS são certificados para determinar qual o nível de integridade de segurança SIL do sistema e sua probabilidade de falha em demanda. As normas IEC e ISA não recomendam que as aplicações de segurança e de controle de processo sejam realizadas no mesmo equipamento [5] CLASSES DE INTEGRIDADE São definidas três classes de Integridade de SIS s (também chamadas de SIL), com diferentes níveis de desempenho de segurança, baseadas na configuração do sistema, conforme resumido na Tabela 1 a seguir: 12

22 Tabela 1. Desempenho de Segurança Classe de Integridade dos SIS Configuração Disponibilidade Alvo Classe 3 Totalmente redundante, separada e diversa,999-,9999 Classe 2 Parcialmente redundante. Separada e diversa do SBCP,99-,999 Classe 1 Projeto de melhor caminho simples (um canal),9-,99 Fonte: Sistemas Instrumentados de Segurança (2003) A disponibilidade indicada está baseada no melhor projeto e implementação de sistema, de acordo com as diretrizes aqui mencionadas. A disponibilidade dentro de uma dada faixa depende da freqüência de testes. O valor mais baixo da faixa representa freqüência anual de testes, enquanto que o valor mais alto representa uma freqüência maior, por exemplo, mensal [6]. a seguir: As alternativas permitidas de projeto para cada Classe de Integridade são descritas na Tabela Tabela 2. Classe de integridade para um projeto SIS ALTERNATIVAS DE PROJETO CLASSE DE INTEGRIDADE DO SIS Projeto convencional de hardware opcional opcional opcional Uso de tecnologia SEP (Sistema eletrônico Programável) opcional opcional opcional Sistemas Redundantes Taps de processo requerido opcional opcional Sensores requerido requerido opcional Módulos I/O para SEP s requerido requerido, Nota 1 opcional Solver lógicos requerido requerido opcional Elementos finais requerido opcional opcional Estrutura Lógica 13

23 ALTERNATIVAS DE PROJETO CLASSE DE INTEGRIDADE DO SIS o-o-1 to trip não permitido não permitido opcional 1-o-o-2 to trip opcional opcional opcional 2-o-o-2 to trip não permitido não permitido não permitido 2-o-o-3 to trip opcional opcional opcional Separada do SBCP requerido, Nota 2 requerido, Nota 3 requerido Diversa do SBCP requerido requerido requerido Diversidade de componente redundante Temporizador watchdog externo para SEP s Indicação variável de entrada de processo requerido, Nota 4 requerido, Nota 4 opcional requerido requerido requerido requerido requerido opcional Alarmes distintos de trip requerido requerido requerido Alarmes distintos de by-pass requerido requerido requerido Reset manual após trip requerido, Nota 5 requerido Nota 5 requerido Nota 5 Fonte: Sistemas Instrumentados de Segurança (2003) Nota 1: Apenas para os módulos de entrada. Nota 2: Um process tap e um elemento final podem ser divididos com o SBCP (desde que os elementos finais satisfaçam os requisitos de trip). Nota 3: Um sinal de entrada pode ser dividido com o SBCP. Nota 4: Desde que existam alternativas aceitáveis Nota 5:A operação não poderá fazer o reset de um intertravamento SIS que tenha sido atuado, e sempre que isto ocorrer, um relatório de comunicação de acidente/incidente deverá ser emitido. 14

24 Gerenciamento de SIS Manter a integridade de SIS s durante o ciclo de vida da planta é fundamental para o gerenciamento de segurança de processo [1]. Um programa efetivo de gerenciamento de SIS deve incluir controles para garantir que: Os testes sejam realizados em conformidade com o Procedimento Padrão para Instrumentos Críticos. A qualidade de partes repostas seja garantida, incluindo software embutido (igual ao original ou totalmente compatível com o original e com o restante do sistema). O SIS retorna ao seu estado de operação normal após manutenção. A integridade do sistema não seja comprometida por acesso não autorizado à programação, pontos de trip ou by-passes. Procedimentos de gerenciamento de modificações sejam obedecidos para qualquer modificação no sistema. A qualidade de modificações seja verificada e o sistema seja revalidado antes de retornar à operação. 5. HISTÓRICO DAS APLICAÇÕES WIRELESS Quando o Físico italiano Guglielmo Marconi inventava a radiotelegrafia (1896) com base nos estudos anteriores de Maxwell e Hertz, surgia a comunicação sem fio que com o passar dos anos e a melhora constante desta tecnologia, chegamos ao que hoje se defini com tecnologia wirelles. Já no Brasil entre os anos de 1893 e 1894, o Padre Roberto Landell de Moura realizou com êxito transmissões e recepções através de rádio à distância de oito quilômetros entre a recém inaugurada Avenida Paulista e o Alto de Santana, área norte da cidade. Os equipamentos inventados por ele foram patenteados no Brasil, uma no ano de 1900 e três obtidas nos Estados Unidos entre os anos1901 e

25 O termo wirelles é proveniente do inglês, da junção de duas palavras: wire (fio) e less (sem), ou seja, sem fio, ou seja, uma conexão wireless é qualquer forma de conexão entre um sistema transmissor e receptor de dados que não requeira o uso de fios. Para tanto são utilizadas frequências de rádio ou sinais luminosos (geralmente na faixa de infravermelho). Esta tecnologia utiliza como meio de transmissão o ar ou o vácuo. Sistemas de comunicação wireless podem permitir o tráfego de voz, dados, ou ambos os sinais simultaneamente. A tecnologia de infravermelho (sinais luminosos), é pouco utilizada em redes wireless.utiliza altas freqüências para transmissão de dados. Tal como a luz, sinais em infravermelho não são capazes de penetrar objetos opacos, sendo útil apenas em curtas distâncias ou em transmissão onde existe visada direta. A potência das ondas de rádio tem um gradiente de atenuação proporcional a 1/r3, valor bastante elevado quando comparado com um meio de transmissão como fios de cobre. Isto limita o alcance de um transmissor mas, por outro, lado evita a interferência entre transmissores operando na mesma faixa de frequências [7]. Em uma rede wireless, o meio físico é compartilhado por todos os transmissores, existe o problema da interferência quando estes possuírem potência suficiente e estiverem operando na mesma região do espectro. Para evitar este problema a utilização do espectro é regulamentada por agências governamentais de cada país (ITU, FCC, etc). Nas comunicações wireless, o meio físico é compartilhado por todos os transmissores, causando o problema da interferência quando estes possuírem potência suficiente e estiverem operando na mesma região do espectro de frequências. O espectro de frequências foi internacionalmente regulamentado e dividido em regiões com finalidades bem definidas [7]. Por exemplo, a faixa de frequências destinadas à radiodifusão b(radio broadcasting) AM é khz e FM é MHz. De particular interesse são as faixas ISM (Industrial, Scientific and Medical), que vão de MHz, MHz e MHz (WI-MAX), reservadas para transmissão de dados, e podem ser usadas sem licença para potências de transmissão menores que 1 W EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS WIRELESS Os transdutores convertem um sinal elétrico analógico ou digital (corrente alternada ou contínua, pressão, temperatura) de entrada, em um outro sinal (corrente contínua quando analógico ou digital) de saída, adequado e isolado galvanicamente, proporcional ao sinal de entrada. Tomando 16

26 como exemplo a figura a seguir, nota-se as partes integrantes da construção de um transmissor de wireless, onde sinais analógicos (ma,mv), são transformados em sinal elétrico, digitalizados e modulados para em seguida, ser propagado pela antena transmissora até o elemento receptor [1]. Há no mercado, diversos tipos de transmissores, alguns com antena acoplada como no exemplo, e outros que dependem de módulos de rádio separados, que recebem o sinal elétrico do transdutor e os retransmitem na forma de radiofreqüência para um elemento receptor. Os equipamentos wireless de uso industrial podem operar em diversas faixas de freqüências e potência (limitada a 1Watt), regulamentadas de acordo com cada país.a faixa de 2,4GHz denominada ISM (Industrial, Scientific e Medical) ou industrial, científica e médica é a mais usual por não serem tarifadas. Segundo MATA [8] a faixa de 900 MHz possui melhores características de distância e penetração de obstáculo, mas só está disponível em alguns países. Já a faixa de 5,8 GHz promete grandes avanços em termos de velocidade, imunidade a ruídos e antenas menores, mas ainda está em fase de testes não tendo sido lançada em escala no mercado. Fig. 7: Módulo transmissor wireless Fonte: Pepper Fuchs, 2009 Alguns dispositivos possuem um sistema de segurança denominado watchdog (cão de guarda), que tem a finalidade de monitorar a qualidade da conexão em aplicações que demandem maior confiabilidade quanto ao seu funcionamento. Caso o watchdog detecte a perda de comunicação com o dispositivo receptor por um determinado tempo, através de um comando o equipamento monitorado será desligado. 17

27 5.2. CONCEITO DE REDES E TOPOLOGIAS DE DISPOSITIVOS INDUSTRIAIS SEM FIO. Devido à necessidade de intercambialidade entre os equipamentos wireless em uma planta industrial, e os diversos protocolos de comunicação utilizados por uma diversidade de fabricantes de equipamentos wireless, tornou-se necessário um estudo minucioso para a ligação em rede destes diferentes equipamentos. Este tópico traz alguns conceitos sobre topologias de rede sem fio, utilizadas em ambiente industrial. A partir de estudos surgiu o grupo de trabalho do IEEE (Institute for Electrical and Eletronic Engineers), responsável pelo desenvolvimento de padrão orientado à pesquisa dos aspectos regulatórios de implementação da tecnologia para redes sem fio locais [9]. Existem várias tecnologias, e cada uma possui suas particularidades, limitações e vantagens, podendo ser organizadas em cinco grupos classificadas pela sua área de cobertura: WAN (Wide Area Network), que consiste em uma rede de cobertura ampla, onde se concentra as tradicionais tecnologias de telefonia celular e poucos serviços de dados. MAN (Metropolitan Area Network), onde se encontra a tecnologia WiMax, que possui área de cobertura em torno de 10 Km. LAN (Local Area Network), este segmento tem como destaque o Wi-Fi que opera com as seguintes características em 2,45 GHz: taxa de transmissão de 11Mbps, modulação DSSS com um alcance estimado de 100 a 200 metros. PAN (Personal Area Network), destinada a pequeno alcance, família onde se encontra o Bluetooth. RFID (Radio Frequency Indentification), denomina um sistema de identificação por radiofrequência, utilizado em etiquetas eletrônicas. Possui cobertura limitada a poucos metros. 18

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