XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 22 a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO -XV GRUPO DE ESTUDO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO E TELECOMUNICAÇÃO PARA SISTEMAS ELÉTRICOS - GTL SISTEMA DE MONITORAMENTO DE MÁQUINAS ROTATIVAS EM USINAS HIDROELÉTRICAS UTILIZANDO ABORDAGEM HÍBRIDA BASEADA EM SISTEMA LEGADO CABEADO DE AUTOMAÇÃO PROTOCOLADO E TECNOLOGIA EM MALHA (MESH) SEM FIO Evaldo Expedito José Jailton Junior Kelvin L. Dias * UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ FACULDADE SEAMA- AP UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ RESUMO Este artigo apresenta uma proposta para estender redes industriais de hidroelétricas, no nível de controle e processo, através de redes em malha sem fio (Mesh). Redes Mesh podem propiciar mobilidade e intervenção aprimorada do sistema, aumentando a produtividade e a integração do nível administrativo ao nível de dispositivo, em tempo real. A solução utiliza equipamentos convencionais disponíveis do mercado, bem como, software livre e aberto. Além disso, a proposta provê garantias de segurança e a integridade na entrega de pacotes, permitindo que a operação do sistema seja realizada via monitoramento e controle global da planta em qualquer lugar da usina. PALAVRAS-CHAVE Monitoramento Industrial, Controle em Tempo Real, Redes sem Fio, Redes Mesh, Máquinas Rotativas INTRODUÇÃO Avanços tecnológicos de hardware e protocolos para as redes sem fio têm propiciado o aumento da flexibilidade e agilidade nos serviços em diversos setores do mercado. Esse movimento vem sinalizando a adoção dessas tecnologias para melhorar a qualidade de serviço, possibilitando assim, redução de custos, bem como, garantias de eficiência e segurança. Uma aplicação promissora de tecnologia sem fio consiste na sua utilização, conjuntamente ou substituindo, sistemas já instalados, como exemplo os utilizados no monitoramento das máquinas rotativas em hidroelétricas baseado em tecnologia legada baseada em barramento (e.g., Profibus). Normalmente, o monitoramento e controle em hidrelétricas são efetuados através de uma central de monitoramento e comando, juntamente com uma equipe que executa uma visita técnica e com base em observações in-loco toma decisões para a planta industrial. A central detém todos os dados dos sensores e atuadores que controlam a situação das máquinas da planta industrial da usina hidroelétrica e, somente através dela, se pode obter dados acertados que garantam o funcionamento dos equipamentos como um todo. Em uma visita técnica o engenheiro precisa realizar uma avaliação das reais condições apresentadas pelos equipamentos e, em geral, comunicar-se utilizando walk talkies com um operador localizado externamente na central de monitoramento e controle para comparar o que está sendo observado localmente com os dados fornecidos pelo sistema de monitoramento, bem como atuar sobre os equipamentos. Nosso estudo propõe uma extensão da rede de comunicação e dados permitindo um monitoramento e controle mais flexível, viabilizando uma tomada de decisão mais precisa; aumento no desempenho dos sistemas de medição e controle instalados em planta. A solução proposta é baseada na tecnologia de redes em malha sem fio, também denominada de redes Mesh. Estas redes permitem conectividade sem fio através de múltiplos saltos e através de mecanismos de auto- Universidade Federal do Pará Rua Augusto Corrêa, nº01 sala 06 - Prédio Anexo do Laboratório de Engenharia Elétrica e Computação (NESC Núcleo de Energia, Sistemas e Comunicação) Bairro Guamá - CEP Belém,PA - Brasil. Caixa postal 479 Tel:( ) kld@ufpa.br

2 2 configuração viabilizam roteamento dinâmico e tolerante a falhas. Esta tecnologia pode propiciar mobilidade e intervenção aprimorada do sistema de monitoramento, aumentando a produtividade e a integração do nível administrativo ao nível de dispositivo, em tempo real. A solução utiliza equipamentos convencionais, amplamente disponíveis do mercado, bem como, software livre e aberto. Além disso, a proposta provê garantias de segurança e a integridade na entrega de pacotes, permitindo que a operação do sistema seja realizada via monitoramento e controle global da planta em qualquer lugar da usina. Dessa forma, a solução proposta neste artigo está apta a controlar processos físicos e gerenciar a eficiência das máquinas da planta estabelecendo correspondência entre diferentes sistemas de medição previamente monitorados por uma sala de controle/monitoramento e consonante com a mobilidade do operador. Sem distinção de lugar, o engenheiro durante a visita técnica de posse com um dispositivo móvel (celular, PDA-Personal Digital Assistant, notebook), terá acesso ao banco de dados com as informações pertinentes as máquinas e com base em todos os dados tomará a decisão mais acertada enviando-a a central de comando que a executará em tempo real. Em caráter de emergência, o engenheiro poderá intervir rapidamente no processo garantindo a integridade das máquinas e imprimindo uma qualidade superior à planta industrial. Este artigo está organizado da seguinte forma. Inicialmente, apresentamos os conceitos básicos sobre redes em malha sem fio na Seção 2. Em seguida, o protótipo do roteador sem fio utilizado para desenvolver a solução de redes em malha é apresentado na Seção 3. A Seção 4 discute a solução proposta neste artigo, incluindo seus aspectos topológicos, serviços e segurança. Finalmente, na Seção 5, apresentamos a conclusão e trabalhos futuros SOLUÇÃO MESH Redes de malha sem fio (mesh) são redes auto-configuráveis e auto-organizáveis são uma excelente alternativa de acesso em cenários onde a instalação cabeada estruturada não é possível/viável, para estender cobertura de redes existentes ou, ainda, permitir mobilidade de terminal. Uma das principais características das redes mesh é o roteamento via múltiplos saltos. Este tipo de roteamento permite estender a área de cobertura sem sacrificar o canal sem fio, através de caminhos alternativos e, também, permite a comunicação em locais onde não há visada direta. Outra importante característica das redes mesh é a capacidade de avaliar a carga da rede e escolher a melhor rota dependendo do nível de interferência eletromagnética. Diferentemente da solução tradicional de roteamento adotada em redes cabeadas, nem sempre a menor quantidade de saltos significa o melhor caminho para encaminhar pacotes em uma rede mesh. A sobrecarga de cada enlace é avaliada antes da tomada de decisão de qual rota o pacote será encaminhado. A avaliação da carga de cada enlace proporciona tolerância a falhas. Assim, caso algum enlace caia ou sofra degradação devido às interferências acima de determinados limiares ou sobrecarga de usuários, a tabela de roteamento é refeita automaticamente em busca de rotas alternativas. Os roteadores mesh podem formar um backbone sem fio (Figura 1), em cujas bordas, diversas tecnologias (IEEE , IEEE , UMTS-Universal Mobile Telecommunications System, Celular, Ethernet, entre outras) podem usufruir da conectividade viabilizada pelos múltiplos saltos que podem levar a gateways para a Internet e/ou para centrais de monitoramento. Neste sentido, as redes mesh podem ser vistas como redes que estendem e integram tecnologias heterogêneas. FIGURA 1 Rede mesh infra-estruturada PROTÓTIPO DE NÓ DA REDE 3.1 Equipamentos e softwares

3 3 O roteador utilizado é o WRT54GL, da Linksys, em suas versões 1.0 e 1.1 que segue o padrão IEEE g na freqüência não licenciada ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,4GHz (Figura 2). O roteador sem fio possui 4 MB de memória flash e 32 MB de memória RAM, e pode rotear pacotes de clientes ligados a ele tanto pela interface sem fio como pelas suas quatros portas Ethernet. O roteador vem de fábrica com um sistema operacional da própria Linksys que possui uma interface de administração via Web. No nosso caso, o roteador da Linksys é adaptado e transformado para um roteador mesh. Para tanto, instalamos uma distribuição especial do sistema operacional Linux denominada OpenWRT. FIGURA 2 Roteador Linksys O OpenWRT permite a geração de imagens que venham a substituir firmwares de hardware especializados. O objetivo de substituir o firmware original dos roteadores sem fio (especificamente o Linksys WRT54G) é fugir das limitações impostas pelos fabricantes dos equipamentos. As ferramentas básicas do OpenWRT estão presentes em um arquivo binário executável denominado de busybox, as demais ferramentas estão disponíveis em módulos independentes. O OpenWRT opera com o kernel O kernel nada mais é que um gerenciador de recursos do sistema computacional como um todo, suas principais funções são gerenciar recursos, alocação de memória, gerenciamento do sistema de arquivos. O kernel pode ser modificado e adaptado conforme as necessidades específicas. Por meio do Linux OpenWRT nos roteadores, uma grande variedade de aplicativos poderão ser instalados. Em particular, a funcionalidade que permite o roteamento por múltiplos saltos é viabilizada por meio da instalação de um módulo específico para roteamento em redes ad-hoc sem fio, denominado OLSR (Optimized Link State Routing), no OpenWRT, uma vez que este módulo não é originalmente distribuído com esse sistema operacional. O OLSR é um protocolo pró-ativo que trabalha de forma distribuída, com uma tabela dirigida contendo informações sobre topologia e estimativas qualidades dos enlaces sem fio, trocada regularmente a fim de subsidiar tomadas de decisões quanto a configuração de rotas. Como o OLSR mantém rotas estabelecidas para todos os destinos da rede, funciona muito bem em redes onde o tráfego é aleatório e esporádico entre um grande número de nós, além de tornar a descoberta de rota mais rápida, sobretudo, para aplicações com requisitos temporais. A qualidade dos enlaces são medidas através da métrica ETX (Expected Transmission Count). A probabilidade de uma transmissão ser efetuada com sucesso é igual ao inverso do produto entre a taxa de recepção de ida (Ri) e a taxa de recepção de volta (Rv). As taxas de recepção Ri e Rv são obtidas através da quantidade de pacotes HELLO recebido pelos roteadores mesh. ETX = 1/(Ri x Rv) Quanto mais alto for o valor do ETX, pior é a qualidade do enlace. Para uma rota com múltiplos saltos, o valor final do ETX é a soma do ETX de cada salto. Por exemplo, a comunicação entre o roteador A com o roteador C, passando pelo roteador B é expresso pela seguinte fórmula: ETXac = EXTab + ETXbc Outro módulo incluído na solução foi o serviço de autenticação, WiFiDog. Esta ferramenta redireciona o cliente para uma página Web de autenticação quando o mesmo tenta o acesso. O WiFiDog também pode ser usado para auditoria da rede através de informações coletadas por seu sistema de contabilização. Para a operação do servidor WiFiDog são necessários os seguintes softwares: servidor Web Apache, a linguagem PHP e o banco de dados PostgreSql. O WiFiDog utiliza a técnica do captive portal que insere um firewall entre os usuários e o gateway. Os pacotes de requisição dos clientes são bloqueados no firewall e redirecionados ao servidor de autenticação. No servidor de autenticação o cliente depara-se com um sistema de login e senha (Figura 3). Somente após esse processo, o servidor liberará as portas do firewall para os endereços IP e o MAC do cliente.

4 4 A solução pode ser usada tanto em ambientes internos (indoor) quanto externos (outdoor). Em cenários outdoor, a solução mesh pode implementar um backbone sem fio, oferecendo acesso aos clientes móveis e distantes quilômetros do gateway. Como cada roteador possui um switch de 4 portas, a solução outdoor também oferece acesso ao clientes cabeados IEEE Para estender a área de cobertura, antenas omnidirecionais com potência de 18.5dB são acopladas aos roteadores. O protótipo de instalação de um kit mesh outdoor é mostrado na Figura 5 e, ainda possui, caixa hermética, alimentação via técnica POE (Power Over Ethernet), tripé e haste. Opcionalmente, também pode-se utilizar uma antena direcional neste kit. FIGURA 4 Kit mesh para aumentar a área de cobertura PROPOSTA A proposta deste artigo é implementar a tecnologia discutida no tópico anterior ao sistema de monitoramento já existente de uma usina hidrelétrica em suas máquinas rotativas, constatemente monitorada por engenheiros de manutenção para averiguar suas condições de funcionamento. 4.1 Topologia A topologia da proposta tem a configuração da estrutura apresentada na Figura 5 em que partindo-se do sistema de monitoramento existente a mesma é integrada a uma Rede Mesh que possibilitará o acesso as informações ao sistema por pessoas autorizadas.

5 5 FIGURA 5 Topologia do sistema de monitoramento já existente integrado à rede mesh. A malha montada descreve um ambiente acessado por equipamentos que possuam interfaces de rede baseadas no padrão IEEE b/g (PDA, Notebook, celular entre outros) considerando que os roteadores mesh possuem o mesmo padrão na faixa de frequencia de 2,4 GHz. Com esta flexibilidade pessoas autorizadas dentro da área de cobertura podem ter acesso a informações do sistema, que inicialmente estavam restrita ao operador. As informações acessadas podem ser trabalhadas no periodo de manutenção ou durante o funcionamento. Caso exista alguma diretiva de ações via software que seja necessário executar, a mesma poderá ser realizada de forma restrita a pessoas autorizadas que se conectarem a algum nó da rede mesh. 4.2 Seguranca da Informação no Ambiente A segurança da informação no ambiente deve ser consideranda levando-se em consideração que os pacotes de dados trafegarão por ondas eletromagnéticas portadoras de informações em ambiente aberto. Sendo assim, algumas medidas devem ser tomadas e serão detalhadas nas subseções a seguir Estrutura Física Equipamentos O sistema compõe-se de um servidor de gerenciamento que abrigará os softwares de controle de acesso ao ambiente. Este servidor deverá ficar em sala restrita com porta de trava eletrônica e entrada restrita ao administrador do sistema. Os roteadores deverão ficar acondicionados em caixas fechadas para evitar retirada dos equipamentos ou tentativa de modificação de configuração local.

6 Autenticação e Autorização no Sistema Para acesso ao sistema e permissões devidas será utilizado o software WiFidog, já comentado no topico 3.1. O WiFiDog realiza a autenticação dos usuários com as devidas permissões de acesso a aplicação de monitoramento, bem como pode realizar a contabilização de recursos usados para fins de auditoria Rede Transparente Na tentativa de acesso não autorizado ao sistema de monitoramento direto com as máquinas pela rede mesh, pode-se separar a rede mesh da rede cabeada pela configuração de uma aplicação PROXY no servidor de gerenciamento. O servidor PROXY, entre outras funções, constitui-se como rota de entrada e saída da rede interna para rede mesh. O servidor possuirá duas interfaces de rede, onde uma estará voltada para rede mesh e outra para rede interna, ou seja, quem acessa a rede mesh enxergará até a interface da rede mesh no servidor Detecção de Invasão Para monitorar qualquer tentativa de invasão no sistema pela rede mesh, no servidor de gerenciamento estará instalado uma aplicação de detecção de invasão IDS (Intrusion Detection System) denominada de Snort, que é uma ferramenta reativa a tentativas de invasão. O Snort resgistra em arquivo de log os eventos ocorridos. Sistemas inteligente de detecção de invasão como o HLBR que é um IPS (Intrusion Prevention System) sistema pró-ativo que previne ocorrências de eventos na rede também poderão ser usados na solução Ações de Controle Via Rede Externa Para ação de controle ao sistema pela rede mesh o operador poderá acessar o sistema por uma VPN (Virtual Private Network) que configurará um túnel criptografado das instruções destinadas ao operador do sistema. Com isto, garante-se que as informações de instrução ao sistema não sejam modificadas no seu percurso, embora possam ser capturadas, mas não decifradas Plataforma de Gerenciamento A plataforma de gerenciamento poderá ser baseada no sistema operacional Linux, configurado numa filosofia de que só irá executar o que for de interesse da rede, ou seja, considerar apenas o necessário para controle do sistema, todas as outras ações serão descartadas do ambiente. O sistema terá kernel recompilado para entrar em atividade de funcionamento Políticas de Segurança Políticas de segurança são necessárias para que os instrumentos de segurança não fiquem no plano informal, mas sim, que sejam passados para um plano institucional garantindo a firmeza da práticas de segurança como uma cultura filosófica da organização. Políticas de segurança podem ser denvolvidas conforme algumas normas brasileiras de segurança como a NBR ISO/IEC (2006) que trata da Tecnologia da Informação Sistemas de Gestão de Segurança da Informação, a NBR ISO/IEC (2008) que trata da Tecnologia da Informação Gestão de Riscos de Segurança da Informação e a NBR ISO/IEC que sobre políticas de criação de senhas CONCLUSÃO Este artigo apresentou uma proposta para estender redes industriais de hidroelétricas, no nível de controle e processo, através de redes em malha sem fio (Mesh). Redes Mesh podem propiciar mobilidade e intervenção aprimorada do sistema, aumentando a produtividade e a integração do nível administrativo ao nível de dispositivo, em tempo real. A solução utiliza equipamentos convencionais, amplamente disponíveis do mercado, bem como, software livre e aberto. Além disso, a proposta provê garantias de segurança e a integridade na entrega de pacotes, permitindo que a operação do sistema seja realizada via monitoramento e controle global da planta em qualquer lugar da usina. No contexto geral, toda estrutura estará dentro dos aspectos de segurança da informação onde o sigilo é garantido pelo sistema de autenticação, a integridade das informações é garantida pela VPN no acesso ao sistema para controle de ações por meio da criptografia e a disponibilidade desta solução é viabilizada pela malha sem fio disponibilizada para o acesso em qualquer lugar da planta, onde se faça necessária, apenas às pessoas autorizadas. Outro aspecto importante a ser destacado é que propomos uma solução baixo custo, uma vez que utiliza hardware convencional amplamente disponível no mercado e software livre/aberto. Dessa forma, atualizações na rede independem de licenças de software ou de aquisição de hardware especializado.

7 7 Trabalhos futuros podem considerar a integração dessa rede não apenas para o monitoramento de máquinas rotativas, mas também para dar suporte ao sistema de informação empresarial como um todo. Além disso, trabalhos promissores com relação ao processo de automação e redes mesh, em desenvolvimento no Laboratório de Redes de Computadores e Computação Ubíqua (UCNL) da Faculdade de Engenharia da Computação na UFPA, consideram soluções sem fio fim-a-fim, integrando sensores baseados no padrão IEEE (Zigbee) com a tecnologia mesh indoor e outdoor. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Akyildiz, I. F.; Wang, X. e Wang, W. Wireless Mesh Networks: a Survey. Comput. Netw. ISDN Syst., Amsterdã, Holanda, v. 47, n. 4, p , Janeiro (2) Open WRT Project, Disponível em: (3) Ramos, Anderson. Security Officer. Zouk. Porto Alegre (4) COMPAGNO, Ronaldo. Geração automática para geração de políticas de detecção de intrusões baseadas em evidência de ataque (5) Nakamura, Emílio Tissato. Segurança de Redes em Ambientes Cooperativos (6) ABNT NBR ISSO/IEC (2006) Tecnologia da Informação Técnicas de Segurança Sistemas de Gestão de Segurança da Informação Requisitos. (7) ABNT NBR ISSO/IEC (2008) Tecnologia da Informação Técnicas de Segurança Gestão de Riscos de Segurança da Informação. (8) ABNT NBR ISSO/IEC Tecnologia da Informação Técnicas de Segurança Políticas de criação de Senhas.

8 8 DADOS BIOGRÁFICOS Kelvin Lopes Dias Nascido em Macapá, AP em 21 de Outubro de 1972 Doutorado (2004) e Mestrado (1998) em Ciência da Computação pelo Centro de Informática UFPE Graduação (1995) em Ciência da Computação pela UFPA Bolsista de Produtividade em Pesquisa do CNPq Nível 2 (PQ-2) Professor Adjunto 2 da Faculdade de Engenharia da Computação UFPA Coordenador do Laboratório de Redes de Computadores e Computação Ubíqua (UCNL) - UFPA Áreas de atuação: Redes sem Fio e Computação Ubíqua