Comparativo e Estudo das Tecnologias Wireless para Automação Industrial

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1 Comparativo e Estudo das Tecnologias Wireless para Automação Industrial Jacques Vigato dos Santos Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel jacquesvigato@hotmail.com Alexandre Baratella Lugli Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel baratella@inatel.br Abstract Automation is present in several manufacturing segments (sectors), as they increase productivity, improve process efficiency and product quality. In this context, industrial networks are gaining more space and importance, however, wired networks are expensive to implement and to maintain. Looking to solve this problem appeared the wireless networks applied to automation, but it is a new technology, so there are still many myths and questions for everyone. This work aims to study and compare the main industrial wireless networks, thus providing concrete information to an assertive decision concerning the variety of industrial wireless networks on the market. Index Terms ISA SP100, Industrial Network, WirelessHart, Wireless Network, ZigBee. Resumo A automação esta presente nos diversos segmentos fabris, pois aumenta a produtividade, melhora a eficiência do processo e da qualidade do produto. Nesse contexto, as redes industriais estão cada vez ganhando mais espaço e importância. No entanto, as redes cabeadas possuem alto custo de implantação e manutenção. Procurando resolver este problema surgiram as redes sem fio aplicadas a automação, mas por se tratar de uma tecnologia nova ainda existem muitos mitos e dúvidas por todos. O objetivo deste trabalho é realizar um estudo e comparativo dentre as principais redes industriais sem fio, fornecendo assim informações concretas para tomada de decisão assertiva sobre as mais variadas redes industriais sem fio presentes no mercado. Palavras chave ISA SP100, Redes Industriais, Redes Sem fio WirelessHart, ZigBee. I. INTRODUÇÃO A automação, atualmente, é necessária nos diversos segmentos fabris. Através dela, tem-se o aumento da eficiência do processo, redução da força de trabalho e das matérias-primas, melhor controle de qualidade, aumento dos níveis de segurança e da velocidade do processamento da informação, que se faz necessária devida as operações estarem cada vez mais complexas e variáveis, sendo necessário sistemas de controles e mecanismos de regulação ágeis e interconectados. [1] Dessa forma, ampliam-se os níveis de Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações como parte dos requisitos para obtenção do certificado de especialização em Automação e Controle. Orientador: Prof. Alexandre Baratella Lugli. Trabalho aprovado em 22/01/2013. produtividade e eficiência do processo produtivo dentro dos conceitos de excelência operacional. [1] Neste contexto de interconexão, as redes industriais estão inseridas, de fato, no mercado brasileiro há cerca de dez anos. [2] Por isso, sistemas tradicionais, tipo ponto a ponto, que utilizam o CLP (Controlador Lógico Programável) centralizado, são facilmente encontrados devido fatores técnicos e econômicos que tornam essa tecnologia vantajosa e atraente até os dias atuais. [2] [3] De acordo com LUGLI & SANTOS (2010) a rápida evolução da eletrônica e da engenharia de software e a miniaturização de componentes e peças são os principais fatores e os meios para o desenvolvimento dos sistemas de automação distribuídos com [2] redes de campo industrial. Componentes de alto desempenho e que são fundamentais para o processo de automatização, como microprocessadores, microcontroladores, memórias e sensores, se tornaram acessíveis economicamente, possibilitando a criação de dispositivos autônomos inteligentes. [2] Acrescido a tudo isso, tem se o desenvolvimento de sistemas operacionais em tempo real, técnicas de orientação a objetos, como exemplo JAVA FX, além das ferramentas de modelagem e simulação, que tem contribuído para a evolução dos sistemas de automação industrial. [2] De acordo com LUGLI & SANTOS (2010), a utilização de todas essas ferramentas e métodos torna possível desenvolver sistemas de automação compostos por uma serie de sensores, atuadores, controladores e outros dispositivos conectados entre si por uma rede industrial (barramento industrial), os quais cooperam para a realização de tarefas. As vantagens trazidas por essas ferramentas tornam os sistemas de redes industriais muito atraentes, possuindo uma grande confiabilidade e modularidade, facilidade de compreensão e redução de custo em comparação aos sistemas centralizados utilizados com CLP (Controlador Lógico Programável). [2] Os sistemas ponto a ponto, onde o ponto de I/O (entrada e saída) é conectado diretamente ao CLP (Controlador Lógico Programável), ainda são facilmente encontrados, no entanto possuem o empecilho de ser um sistema de alto custo de implementação, devido a grande quantidade de cabos necessários e a dificuldade de diagnóstico e manutenção do sistema. [2] [3] A figura 1 ilustra o sistema ponto a ponto.

2 Figura 1: Sistema Tradicional com CLP. Fonte: Autores Já os sistemas do tipo de barramento diminuem os custos, pois diminui a quantidade de cabos necessários para a conexão dos dispositivos, apresentados pelas redes ponto a ponto. Contudo, apresentam dificuldades para a transição da tecnologia, tais como, necessidade de adquirir conhecimento (know-how), alto investimento inicial e interoperabilidade nem [2] [3] sempre garantida. A figura 2 ilustra o sistema barramento. flexibilidade para se manter competitivas. Para estas indústrias, duas características da tecnologia sem fio são extremamente desejáveis se inseridas nas redes de campo: maior disponibilidade (uma vez que não possuem cabos para dar problemas e serem trocados) e maior flexibilidade (uma mudança na estrutura física não necessita mudança na estrutura dos cabos). [4] No entanto, as redes industriais sem fio precisam de protocolos de alta confiabilidade e robustez. [4] No contexto industrial existem diversos estudos de viabilidade e de padronização das redes industriais sem fio. As redes sem fio podem ser a solução de diversos problemas crônicos existentes no ambiente industrial atualmente, além de trazer diversos benefícios. Alguns deles atrelados a tecnologia são: baixo custo de instalação e manutenção, ganhos de flexibilidade, desempenho, confiabilidade e produtividade. [4] Por isso, o objetivo final deste trabalho é realizar o comparativo e estudo entre as diversas tecnologias sem fio (wireless) aplicadas em automação industrial, tais como: Wireless Hart, ISA SP-100, ZigBee, Bluetooth, WISA e Wi- Fi. II. REDES SEM FIO E O MERCADO Como ocorrido nos sistemas cabeados há anos atrás, as redes sem fio possuem protocolos variados que podem ser aplicados na automação industrial. Atualmente, há protocolos padrões para as camadas superiores (ZigBee, Wireless Hart, ISA SP 100) e o protocolo IEEE para as camadas inferiores. [5] De acordo com CASSIOLATO (2011), a padronização para redes sem fio mostra que as normas estão se convergindo para a SP 100 e WirelessHart. [5] Tendência ilustrada pela figura3. Figura 2: Sistema Atual com Rede Industrial. Fonte: Autores No entanto com o avanço da tecnologia nas últimas décadas e a necessidade de links de comunicação mais rápidos e eficientes, levaram ao surgimento da comunicação digital. Tendo em vista a questão mobilidade, surgiram as redes digitais sem fio. [4] De acordo com ALMEIDA (2009), na área industrial, especificamente nas redes de campo, os últimos anos têm visto um avanço avassalador das redes digitais. Nestas indústrias, a tecnologia digital sem fio também pode ter um papel muito importante, uma vez que elas também precisam de agilidade e Figura 3: IEEE Projeção 2012 Market Share. Fonte: CASSIOLATO, [5] III. EVOLUÇÃO DAS REDES INDUSTRIAIS Os primeiros sistemas de automação surgiram na época da revolução industrial, onde trabalhos manuais foram substituídos por máquinas dedicadas que visavam o aumento e [1] a eficiência da produtividade. Os mecanismos eram inteiramente mecânicos, por isso possuíam vida útil reduzida e altos índices de manutenção. [1] O próximo passo foi dado com o desenvolvimento dos relés, que possibilitaram a criação da lógica de relés, viabilizando o desenvolvimento de sistemas mais complexos. [1]

3 Na década de 40, os sistemas de instrumentação baseavamse em sinais de pressão físicos de 3-15psi e dessa forma controlava-se o chão de fábrica. [6] Na mesma época surgiram os transistores, possibilitando a criação de máquinas controladas por comando numérico, assim como o controle da instrumentação analógica com referência de tensão. [1] Nos anos 60, a indústria introduz, visando monitorar os dispositivos de campo, sinais analógicos de 4-20mA. [6] Nos anos 70, desenvolvem-se os microprocessadores e surge a ideia de utilizar os computadores para monitoração de processos a partir de um ponto central. [6] No entanto, eram grandes, ocupavam muito espaço, tinham alto custo, eram difíceis de programar e, principalmente, sensíveis ao ambiente industrial. [1] Nesta época, ainda, cria-se os CLP (Controlador Lógico Programável) por necessidade da indústria automobilística. [1] De acordo com LUGLI & SANTOS, nos anos 80, começou-se a desenvolver os primeiros sensores inteligentes, assim como os controles digitais associados a esses sensores. Com o desenvolvimento dos instrumentos digitais era necessário algo que pudesse interligá-los. Aqui, nasce a ideia de criação de uma rede que ligaria todos os dispositivos e disponibilizaria todos os sinais do processo num mesmo meio físico. A parti daí, a necessidade de uma rede (fieldbus) era clara, assim como um padrão que pudesse deixá-la padronizada para o controle de instrumentos inteligentes. [6] O desenvolvimento do padrão internacional levou vários [6] anos. Em 2000, todas as organizações interessadas convergiram para criar o barramento de campo (fieldbus) padrão IEC (International Electrotechnical Commission), que foi denominado IEC 61158, possuindo oito protocolos distintos, mostrados a seguir: [6] TIPO 1 - FOUNDATION Fieldbus H1; TIPO 2 - ControlNet; TIPO 3 - Profibus; TIPO 4 - P-Net; TIPO 5 - FOUNDATION Fieldbus HSE (High Speed Ethernet); TIPO 6 - Interbus; TIPO 7 - SwiftNet; TIPO 8 - WorldFIP. De acordo com LUGLI & SANTOS, mesmo com esses padrões, não foi possível abranger todas as aplicações na indústria. Mais tarde foi criada a IEC 61784, como uma definição dos chamados profiles e ao mesmo tempo foram corrigidas as especificações de IEC A tabela 1 mostra os padrões com os seus respectivos profiles. [6] Com a revisão foram incluídos vários protocolos Ethernet. Estes padrões utilizam a Ethernet como meio físico e os protocolos TCP, UDP e IP. [6] Já nos últimos anos o desafio é a padronização das redes sem fio (wireless). No entanto observa-se a convergência das redes sem fio para os padrões SP 100 e WirelessHart. [5] Por isso, encontra-se diversos estudos de viabilidade e padronização das redes sem fio, que trazem como beneficio baixo custo de instalação e manutenção, alto índice de flexibilidade, desempenho, confiabilidade e produtividade. [4] No ano de 1999, um grupo de empresas se une e cria o WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), com o intuito de estudar as redes sem fio; o mesmo passou a se chamar Wi-Fi Alliance. [8] Já os estudos padronizados com as redes industriais sem fio começaram em 1998 com o Bluetooth [9] e em 2001 com a WISA (Wireless Interface to Sensors and Actuators). [10] Testes em ambientes industriais com a tecnologia ZigBee se iniciam em [10] O padrão ISA SP100 começou a ser desenvolvido no ano de 2005, após a criação do comitê de estudo. [4] Já no ano de 2006, tem-se a criação do padrão IEEE [10] [11] Por fim, no ano de 2007 tem se a criação do comitê de estudo da WirelessHart. [11] A figura 4 ilustra a evolução das redes industriais. Figura 4: Evolução das Redes Industriais. Fonte: ISA, [7] Adaptado pelo Autor. IV. ISA SP100 Em 2005 a ISA (International Society of Automation) criou o ISA 100 Committee, com a missão de estabelecer padrões e informações relacionadas ao padrão ISA SP100, definindo, assim, os procedimentos de implantação de um sistema sem fio para automação, monitoramento e controle, com foco nas [4] [7] redes de campo. De acordo com a ISA (International Society of Automation), no ano de 2008, existiam mais de 400 profissionais de automação e 250 empresas espalhadas por [4] [7] todo mundo. De acordo com GUNGOR & HANCKE (2009) o grupo de trabalho da ISA SP100 é focado em um sistema de comunicação sem fio confiável, para aplicações de monitoramento e controle. Este grupo está atualmente trabalhando em um padrão, que levará a interoperabilidade e interconectividade de soluções sem fio para a automação industrial. [16] Assim sendo, o protocolo ISA SP100 vem sendo desenvolvido com o objetivo de unificar/ padronizar as particularidades das comunicações sem fio, as diversas tecnologias disponíveis no mercado e os requisitos dos ambientes industriais. De acordo com ALMEIDA (2009) a norma pretende definir uma estrutura sem fio simples, integrada e padronizada para vários tipos de aplicações industriais. Pensando em ser a espinha dorsal de todo o

4 sistema, tendo a capacidade de interoperabilidade com todas as redes sem os fios existentes atualmente. [4] Para HENNING (2009) o padrão ISA SP100 leva em conta o projeto, a implementação, a manutenção no campo e a fabricação dos dispositivos, suportando múltiplos protocolos através de uma única infra-estrutura sem fio. [18] O protocolo ISA SP100 também foi desenvolvido pensando nos consumos de energias, assim como o ZigBee, que procura possibilitar o uso de baterias em sensores e repetidores. [18] Para ALMEIDA (2009), a norma ISA SP100 precisa garantir a confidencialidade, integridade, disponibilidade, interoperabilidade, segurança e robustez dos componentes que constituem os ambientes de controle e automação, definindo uma arquitetura de comunicação completa em um padrão aberto. [4] Sendo assim, a ISA SP100 prevê uma infraestrutura simplificada e integrada, onde a comunicação entre os dispositivos será realizada de maneira transparente com relação ao fabricante e tornará possível a comunicação sem fio simultânea de vários protocolos de aplicação existentes. [4] O comitê da ISA SP100 observou que os protocolos de comunicação sem fio são aplicados em diferentes setores, da automação industrial a residencial, o que torna a questão tempo de resposta muito sensível, por isso, após uma análise crítica, o comitê resolveu caracterizar o protocolo ISA SP100 em classes de uso, de 0 a 5. [4] A tabela 1 mostra a relação entre categorias, classes, aplicação e descrição. divididos de acordo com a figura 5. Os principais grupos definidos para ISA SP100, a ISA SP100.11, ISA SP e ISA SP Em 2006, os grupos de trabalho ISA SP e ISA SP foram unificados, formando o grupo ISA SP100.11a. [4] ISA SP tem por objetivo padronizar a comunicação sem fio para as aplicações de controle e medição em ambiente industrial. Os dispositivos para este padrão deverão ser de baixa complexidade, custo e consumo, sendo de aplicação fixa ou móvel. [4] ISA SP tem por objetivo padronizar a comunicação sem fio para as aplicações de monitoriamento. Os dispositivos para este padrão deverão ser de baixa complexidade, custo e consumo, sendo de aplicação fixa ou móvel, no entanto sua taxa de transmissão precisa ser condizente com as classes 4 e 5 do padrão. [4] ISA SP De acordo com ALMEIDA (2009) tem por objetivo desenvolver as definições de um padrão para dispositivos e redes sem fio, destinado ao rastreamento de objetos e pessoas no ambientes industriais. [4] ISA SP100.11a Primeiro padrão de fato da ISA SP100, ele reunirá as características definidas pela ISA SP e ISA SP [4] Esse será um padrão aberto, para que possa ser utilizado e melhorado por qualquer empresa, utilizará de rádios , operando em 2,4GHz, pode se configurar redes do tipo estrela e malha (mesh) e usa o channel hopping para melhorar confiabilidade. Prevendo toda interoperabilidade do padrão ISA SP100. [18] Tabela 1: Categoria, classes, aplicação e descrição ISA SP100. Fonte: LUGLI et. al, [21] De acordo com ALMEIDA (2009) o comitê da ISA SP100 vem investigando a possibilidade da incorporação do padrão WirelessHart na família de padrões ISA SP100. A incorporação do WirelessHart pode acelerar o desenvolvimento da ISA SP100, direcionando os esforços do comitê para outros aspectos importantes na definição da norma. [4] O comitê ISA SP100 definiu grupos de trabalho para desenvolver os diferentes padrões, que buscam orientar os profissionais na implantação das tecnologias sem fio nos diferentes tipos de aplicações industriais. [4] Estes grupos estão V. WIRELESSHART O protocolo Hart (Highway Addressable Remote Transducer) foi fundado em 1989, pela HCF (Hart [13] [21] [22] [23] Communication Fundation) nos EUA. De acordo com CASSIOLATO (2011) este foi o primeiro protocolo de comunicação bidirecional digital que não afetava o sinal analógico de controle [22], possuindo uma base instalada de aproximadamente 30 milhões de equipamentos. [23] O Protocolo Hart utiliza FSK (Frequency Shift Keying) para adicionar as informações digitais no sinal analógico enviado pelo instrumento de media. [21] De acordo com LUGLI et. al. (2012) a taxa de transmissão entre os dispositivos é de 1,2 kbps, onde o bit 1 é representado pela frequência de 1,2kHz e o bit 0 é representado pela frequência 2,2kHz. [21] Como mostrado na figura 6. O protocolo WirelessHart é uma extensão do protocolo Hart e foi projetado para aplicações de monitoramento e controle de processo. [11] [13] [16] [24] Sendo o primeiro protocolo de comunicação sem fio, aberto. [16] [25] No entanto, de acordo com SOLDATI et. al. (2008), este protocolo não deve ser

5 utilizado para controles críticos. [24]

6 Figura 5: Padrões ISA SP100. Fonte: ISA, [7] Adaptado pelo Autor. Figura 6: Sinal Hart. Fonte: LUGLI et. al, [21] O projeto do protocolo WirelessHart levou em consideração algumas características fundamentais como: simplicidade, auto organização, auto recuperação, flexível, escalável, confiável, seguro e compatibilidade com o protocolo Hart. [10] [13] [21] Levando em consideração ser uma solução sem fio de baixo custo. [24] De acordo com ALMEIDA (2009) o grupo de desenvolvimento do WirelessHart reconhece que não existe uma tecnologia única para todas as aplicações e por este motivo focou no desenvolvimento de um padrão apropriado para a utilização na indústria. [4] O WirelessHart foi incorporado ao protocolo Hart na revisão 7, o qual foi aprovado pela HCF em [25] [11] [13] [16] [24] Para BONIFÁCIO et. al. (2012) o WirelessHart utiliza as mesmas ferramentas práticas que o Hart (cabeado), incluindo estrutura de comando, sistema de gerenciamento de recursos com suporte a tecnologia EDDL (Electronic Device Description Languagem). [13] A arquitetura do WirelessHart é baseado no modelo da camada OSI. [10] [13] Está baseado nas camadas de aplicação, transporte, rede, enlace e física (PHY) [10] [13], esta última é especificada pelo padrão IEEE , que contém uma [4] [10] [11] [13] nova camada de link de dados que inclui o MAC. [16] [21] [23] [24] [25] Utilizando da mesma tecnologia de rádio, empregada nos padrões da ISA SP100 e ZigBee. O WirelessHart utiliza-se da topologia de rede malha [4] [10] [11] [13] [16] [21] [23] [24] (mesh), operando na faixa de 2,4GHz. [25] De acordo com ALMEIDA (2009) os rádios utilizam o método de DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) ou salto de canais FHSS (Spread Spectrum de salto de freqüências) para uma comunicação segura e confiável assim como comunicação sincronizada entre os dispositivos da rede [4] [13] utilizando TDMA (Time Division Multiple Acess). Para HENNING (2009) o WirelessHart utiliza o TSMP (Time Sychronized Mesh Protocol), garante a comunicação sincronizada no tempo, utiliza o salto de frequência

7 (frequency hopping), inclusão automática de nós e formação de rede, roteamento totalmente redundante na malha e transferência segura de mensagens. [18] De acordo com GUNGOR & HANCKE (2009) cada dispositivo da rede WirelessHart tem a capacidade de enviar os seus próprios dados e retransmitir os dados de outros dispositivos da rede. [16] Cada rede WirelessHart possui três elementos principais [23], são eles: Dispositivos de Campo (Field Divices) estão conectados ao processo ou equipamento de planta. [4] [13] [23] [25] De acordo com LUGLI et. al. (2012) são os pontos de acesso, são eles que recebem os comandos do sistema de controle e executam os processos sobre os dispositivos de medida. Podem operar também como roteador, aumentando o alcance da rede e possibilitando uma maior estabilidade do sistema. [21] Gateway responsável pela interligação entre sistema de controle e o ponto de acesso (Acess Point) [21] que recebem os dispositivos de campo. [4] Para ALMEIDA (2009) este dispositivo é responsável por interligar os dispositivos de campo com as redes industriais ou backbone de alta velocidade. [4] [23] BONIFÁCIO et. al. (2012) define como os gateways conectam as rede WirelessHart com o sistema da planta de automação (host). Isto fornece ao sistema host acesso aos dispositivos da rede WirelessHart, e se necessário a tradução entre diferentes protocolos. Desta forma, o instrumento que interfaceia os instrumentos de campo WirelessHart com o host de aplicação, via canal de comunicação serial Ethernet ou WiFi, por exemplo. Em uma rede mesh pode existir apenas um gateway ou gateways redundantes. [13] Gerenciador de rede é responsável pela configuração da rede, escalonamento da comunicação entre os dispositivos, gerenciamento das rotas de mensagens, monitoramento e diagnóstico do estado da rede. O gerenciador de rede pode ser integrado ao gateway, aplicação de host, ou ao controlador de processo. [4] [23] Para BONIFÁCIO et. al. (2012) o gerenciador de rede é o cérebro de uma rede WirelessHart. Responsável pela gerencia da rede mesh e dos dispositivos de campo, distribuição das chaves de segurança, além do bom monitoramento da rede. [13] A figura 7 mostra os três principais elementos da rede. Para LUGLI et. al. (2012) cada elemento da rede tem a capacidade de reconhecer e analisar os dispositivos vizinhos, baseado nas informações da rede analisada, tais como: latência, potência do sinal e eficiência da rede. Com isso, consegue-se estabelecer uma rota de tráfego. Cada ponto da rede se torna um roteador, princípio da rede em malha (mesh) criando rotas redundantes, administradas pelo gerenciador de rede, facilitando o acesso de cada dispositivo. [21] Essas redes podem alcançar a distância máxima de 250 metros. [21] Figura 7: Rede WirelessHart. Fonte: HART COMMUNICATION FOUNDATION, [23] Figura 8: Topologias do WirelessHart. Fonte: LUGLI et. al, [21] Procurando garantir a robustez e a segurança da rede, o protocolo utiliza uma combinação do CRC (Cyclic Redundancy Check) e criptografia AES-128, que garante a integridade da mensagem e o recebimento da mensagem pelo destino. [21] O WirelessHart pode operar nas topologias malha (mesh), estrela ou em malha de estrela, como mostrado na figura 8. [21] No entanto, para LENNVALL et. al. (2008) mesmo a topologia estrela sendo possível para o protocolo WirelessHart a sua utilização não é aconselhável, devido as características do WirelessHart. [10] VI. ZIGBEE Em 2002 foi fundada a ZigBee Alliance, aliança sem fins lucrativos, com o objetivo de desenvolver e padronizar o protocolo ZigBee. Essa associação é composta por universidades, agências governamentais e empresas. [12] Atualmente, existem mais de 150 empresas associadas. [13] O protocolo ZigBee foi estruturado pensando em três

8 características fundamentais, baixo consumo de energia, baixo custo e baixa taxa de dados (250 kbps) [12] [13] [14] [15] [16] [17], além de estabelecer uma pilha protocolar de implementação simplificada. [15] Por isso sua aplicação é muito comum em controle e monitoramento industrial, automação residencial, sensoriamento incorporado e automação dos sistemas de energia. [16] No entanto, de acordo com ZHENG (2006) esta opção é para o monitoramento de instrumentos não críticos. [17] De acordo com LUGLI et. al. (2012) a rede ZigBee pode utilizar de saltos (hops), o que possibilita um dispositivo rotear informação utilizando os seus vizinhos. Assim, mesmo com transmissões de baixa potência pode alcançar longas distâncias. No entanto o alcance padrão de um dispositivo ZigBee é de 10 a 100 metros, de acordo com as condições climáticas. [21] De acordo com WATANABE et. al. (2012) o protocolo ZigBee é estruturado segundo o modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection) de sete camadas, mas define apenas as camadas onde se obtêm as funcionalidades de rede. O padrão IEEE define as duas camadas mais baixas: Camada Física PHY (Physical Layer) e a Camada de Enlace, também denominada Camada de Controle de Acesso ao Meio MAC (Medium Access Control). A pilha da plataforma ZigBee é definida sobre essas duas camadas: a Camada de Rede NWK (Network Layer) e a Camada de Aplicação APL (Application Layer), conforme ilustrado na figura 9. [15] Na figura 10, observa-se a ligação direta entre o modelo OSI, o ZigBee e o IEEE Figura 10: Modelo OSI x ZigBee e IEEE Fonte: HENNING, [18] Tabela 2: Característica de Operação Fonte: HENNING, [18] O protocolo ZigBee utiliza a modulação DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) que permite o dispositivo rejeitar interferências e reflexões, também é importante ressaltar que [13] [18] uma rede ZigBee pode chegar a nós. Existem duas classes de dispositivos ZigBee, os FFD (Full [13] [18] Function Device) e RFD (Reduced Function Device). O FFD (Full Function Device) possui a habilidade de comunicar com qualquer dispositivo da rede, pode estar configurado como coordenador da rede e pode ser encontrado em qualquer topologia de rede padronizada. Esta classe é responsável por inúmeras funções dentro da rede, entre elas encontra-se o roteamento dos dados e a comunicação eficaz entre os nós. Por o RFD (Reduced Function Device) somente comunicar-se com o coordenador ou com um dispositivo configurado, como FDD (Full Function Device), não é possível realizar a configuração como coordenador da rede, limitando-se a topologia de rede do tipo estrela. Porém, sua implementação é simplificada. [13] [18] A figura 11 mostra as topologias padronizadas. Figura 9: Pilha do Protocolo ZibBee. Fonte: BONIFÁCIO et. al., [13] Adaptado pelo Autor. O Zigbee opera na banda conhecido como ISM (Industrial, Scientifical and Medical) e possui três frequências de operação, de acordo com as características da tabela 2, podendo alcançar a distância máxima de transmissão de 1600 metros, em visada direta. [13] Figura 11: Topologias de rede padrão do IEEE Fonte: HENNING, [18] Adaptado pelo Autor.

9 Dentro do protocolo ZigBee a subcamada MAC controla o acesso ao canal usando o CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Acess with Collision Avoidance) com confirmação que dos pacotes que chegam ao destino com sucesso, sendo, também, responsável pelos quadros de anúncio, sincronização e a definição da classe do dispositivo. [13] As redes ZigBee são auto-organizáveis e utilizam apenas um canal de frequência, o que pode ser considerado uma fraqueza [13], em contra partida o protocolo possui a capacidade de mudar de frequência procurando evitar as interferências (Frequency Agility). [18] De acordo com BONIFÁCIO et. al. (2012) o modo de operação do roteamento ZigBee se baseia no multi-caminho (multi-path) e o algoritmo da camada de rede utiliza o protocolo reativo AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector). Nos protocolos reativos uma rota só é determinada quando um nó deseja enviar um pacote para outro nó, ou seja, o protocolo atua sob demanda. Desta forma, os recursos como banda passante e energia podem ser utilizados de uma forma mais eficiente, pois só são gastos quando há necessidade de descoberta de rotas. A desvantagem desses protocolos é o maior atraso no envio dos pacotes, pois se a rota do destino do pacote não for conhecida, o procedimento de descoberta de rota deve ser realizado. [13] A rede ZigBee possui como segurança o CCM (Counter with CBC-MAC) em conjunto com a criptrografia AES-128 (Advanced Encryption Standard), porém, possui a opção de utilizar a criptografia ou somente integridade. [13] O ZigBee utiliza três chaves: Master Key, responsável por estabelecer a rede, a Link Key, responsável pela criptrografia end-to-end e a Network Key, compartilhada por todos os nós da rede. Essas chaves podem ser estabelecidas de fábrica, através de uma interface física na planta ou pela própria rede, onde o coordenador da rede faz o controle, para determinar a frequência de renovação das chaves e dessa forma aumentar a segurança da rede. [13] De acordo com BONIFÁCIO et. al. (2012) o ZigBee é indicado para a transferência de pequenos pacotes através de grandes redes, que sejam mais estáticas com uso não muito frequente, além disso o fato de ser um protocolo para aplicações de baixo consumo e de baixo custo o tornam ideal para sistemas de monitoramento e automação, como é o caso dos sistemas de automação doméstica, segurança, controle de iluminação e de acessos. [13] VII. BLUETOOTH O consorcio responsável pelo desenvolvimento do Bluetooth possui mais de 1200 empresas associadas, facilmente encontradas em notebooks, celulares e outros dispositivos portáteis. [18] O Bluetooth faz parte das redes WPAN (Wireless Personal Area Network), que corresponde a família do padrão IEEE , assemelhando-se ao ZigBee. É uma tecnologia que possui alcance curto [4], de 10 a 100 metros. [20] Opera na banda ISM (Industrial, Scientifical and Medical) de 2,4 GHz, dividida em 79 canais [18] modulados por FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). [20] Possui a capacidade de controlar até 8 dispositivos [20]. É possível encontrar duas formações distintas de redes, uma denominada de piconet, onde um dispositivo é mestre (Master) e os restantes escravos (Slave) e outra de scatternet, onde se tem mais mestres, chegando ao máximo de 10. [18] A figura 12 ilustra as duas configurações. Figura 12: Configuração de redes Bluetooth. Fonte: OLIVEIRA, [20] A taxa de transmissão para serviços síncronos, para tráfego de voz, pode alcançar a taxa de 64kbps, já para serviços assíncronos pode alcançar a taxa de 723kbps em uma direção e 57kbps em sentido contrario. [18] As grandes vantagens do Bluetooth são: o baixo custo para redes pequenas e de curto alcance, suporta transmissão de voz e dados, e pode ser facilmente integrado aos protocolos TCP/IP. [18] No entanto, possui como desvantagem o alcance curto e o número pequeno e limitado de dispositivos. [18] VIII. WISA O protocolo WISA (Wireless Interface for Sensors and Actuators) é uma rede proprietária de 1Mbps. Foi desenvolvido especificamente para trabalhar com os sensores e atuadores (SA), principalmente para as aplicações em que os demais protocolos não conseguem atender. O ponto forte desse protocolo é o tempo de resposta, tendo uma latência menor quando comparada com os demais. [19] A WISA utiliza banda ISM (Industrial, Scientifical and Medical) com 77 canais, separados de 1MHz. Os 77 canais são divididos em 7 sub-bandas, contendo 11 canais em cada banda. Visando tornar o sistema mais robusto, o protocolo utiliza técnicas para explorar a diversidade espacial e a diversidade de frequência (Frequency Hopping). A junção dessas técnicas junto com a separação por células, trás ao protocolo a capacidade suportar uma alta densidade de dados dos AS, em tempo real, utilizando um espectro de frequência limitado. [19] A camada física é trabalhada de forma semelhante aos protocolos Bluetooth, Wi-Fi e ZigBee, baseando-se no padrão

10 IEEE [19] A camada MAC, responsável por gerenciar o controle de acesso, que permiti o gerenciamento de um elevado número de dispositivos em tempo real, é composta por uma combinação do TDMA (Time Division Multiple Acess), FDD (Frequency Division Duplex) e o FH (Frequency Hopping) [19] IX. WI-FI O Wi-Fi faz parte da família IEEE , onde os padrões mais comuns são IEEE a, IEEE b e IEEE g. [18] O padrão IEEE a alcança taxas de transmissão de 54Mbps, opera na banda de 5GHz e pode ter até 64 pontos por AP (Acess Point). [18] O padrão IEEE b alcança taxas de transmissão de 11Mbps, opera na banda de 2,4GHz e pode ter até 32 pontos por AP. [18] O padrão IEEE g alcança taxas de transmissão de 54Mbps, opera na banda de 2,4GHz e pode ter até 32 pontos por AP. [18] Entre as suas vantagens encontram-se os protocolos no nível de aplicação consolidados, por exemplo, Ethernet/IP para ambiente industrial. [18] Pode se citar também outros pontos importantes da tecnologia, como: dispositivos de fácil aquisição, mão de obra abundante, fácil configuração, alta taxa de fluxo de dados e fácil integração a infra-estrutura de TI. [18] No entanto, suas desvantagens, trazem características não desejadas em sistemas de automação, como: alto consumo de energia e sistema não determinístico [18]. Dependendo do tamanho da rede e da forma do gerenciamento de tráfego de dados, a quantidade de colisões pode inviabilizar a utilização deste tipo de rede em sistemas para o sistema de automação. X. COMPARAÇÃO DOS PADRÕES De acordo com ALMEIDA (2009) as principais vantagens da comunicação sem fio para a aplicação na automação, são: Mobilidade. Economias na Instalação. Alcance. Custo de Manutenção. Maior Imunidade a Ruído. Economias de Escala. Segurança Contra Falhas. Flexibilidade. Confiabilidade. Monitoração do Diagnóstico. Baixo Consumo de Energia. Tendo em vista as principais vantagens das tecnologias sem fio, torna-se importante a comparação entre as principais características destas tecnologias, entre elas estão: Taxa de Transmissão. Distância Máxima. Frequência de Operação. Topologia da Rede. Imunidade a Ruídos. Número de Nós. Latência. Interoperabilidade. Consumo de Energia. Custo de implantação. Complexidade de implantação. A figura 13 faz uma comparação entre o consumo de energia, custo e complexidade de implantação, contra a taxa de transmissão, das principais redes sem fio no mercado. Figura 13: Comparação entre as redes sem fio. Fonte: ISA, [7] A tabela 3 trás a comparação entre taxa de transmissão, distância máxima, frequência de operação, topologia de rede, imunidade a ruídos, número de nós, latência e interoperabilidade entre as principais redes sem fio aplicadas a automação industrial (ISA SP100, WirelessHart, ZigBee, Bluetooth, WISA e WiFi), apresentadas neste artigo. Ainda não se tem uma definição de qual é a distância máxima de alcance do protocolo ISA SP100, no entanto, acredita-se que o mesmo chegará, no mínimo, a distância de 250 metros, já que sua tecnologia de rádio empregada no protocolo é semelhante ao empregado no WirelessHart. Porém, o protocolo ISA SP100 poderá ser utilizado como backbone de todo o sistema, e, por este motivo, deverá ter aplicações de longa distância, que precisaram cobrir toda planta industrial. XI. CONCLUSÃO O presente trabalho fez a comparação entre as principais redes sem fio aplicadas a automação e controle industrial (ISA SP100, WirelessHart, ZigBee, Bluetooth, WISA e WiFi). Observa-se que os estudos e implementações estão em plena evolução, e, que os próximos anos, serão de grande importância para definir o rumo que a tecnologia seguirá.

11 Tabela 3: Comparação entre as redes sem fio. Fonte: Autores * A latência do padrão ISA SP100 pode ser tida como baixa, mas precisa ser levada em consideração a classe da aplicação. ** O padrão da ISA SP100 possui interoperabilidade com todas as redes sem fio, incluindo o protocolo WirelessHart, e para outros padrões cabeados como ModBus, Hart, Foundation FieldBus, Profibus, CIP e outros. Através da comparação dos protocolos padrões, observa-se que o protocolo ISA SP100 deverá ter um papel fundamental na área de redes industriais, principalmente na área de redes sem fio. Sendo o ponto mais forte, a promoção da interoperabilidade entre todos os protocolos. No entanto, o protocolo WirelessHart deve ser muito difundido devido a grande base instalada. Por fim, a escolha de uma solução baseada nas soluções de rádio IEEE permitirá, no futuro, a migração para um protocolo mais abrangente, por exemplo, o ISA SP100, sem maiores dificuldades. REFERÊNCIAS [1] Site da Internet: CASSIOLATO, C. Redes Industriais, SMAR Artigos Técnicos, 2011, disponível em: < Acessado em Março de [2] LUGLI, A. B. and SANTOS, M. M. D. Redes Industriais para Automação Industrial: AS-I, PROFIBUS e PROFINET. Editora Érica, São Paulo, 2010, 176p. [3] LUGLI, A. B. and SANTOS, M. M. D. Sistemas Fieldbus para automação industrial: DeviceNet, CANopen, SDS e Ethernet. Editora Érica, São Paulo, 2009, 156p. [4] ALMEIDA, F. B. Padronização da Comunicação Sem Fio em Ambientes Industriais ISA SP 100. Monografia submetida ao Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia como requisito para obtenção do título de Especialização em Automação Industrial com Ênfase em Informática Industrial, Instrumentação, Controle e Otimização de Processos Contínuos, Salvador, 2009, 55p. [5] Site da Internet: CASSIOLATO, C. Wireless ISA 100, SMAR Artigos Técnicos, 2011, disponível em: < Acessado em Março de [6] LUGLI, A. B. and SANTOS, M. M. D. REDES INDUSTRIAIS: Evolução, Motivação e Funcionamento. InTech, 2011, 5p. [7] Site da Internet: The ISA100 Standards: Overview & Status, ISA, 2008, disponível em: < D=6891>. Acessado em Abril de [8] Site da Internet: O que é Wi-Fi (IEEE )?, INFOWESTER, 2008, disponível em: < Acessado em Abril de [9] Site da Internet: Bluetooth Technology, disponível em: < Acessado em Abril de [10] LENNVALL, T.; SVENSSON, S. and HEKLAND, F. A Comparison of WirelessHart and ZibBee for Industrial Applications. Dresden, Factory Communication System, WFCS IEEE International Workshop on, 2008, 85-88p. [11] SONG, J.; HAN, S.; MOK, A.K.; CHEN, D.; LUCAS, M.; NIXON, M. and Pratt, W.. WirelessHART: Applying Wireless Technology in Real-Time Industrial Process Control. St. Louis, Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, RTAS 2008, IEEE Computer Society, 2008, p.

12 [12] Site da Internet: About ZigBee, ZIGBEE ALLIANCE, 2012, disponível em: < Acessado em Novembro de [13] BONIFÁCIO, T.; PANTONI, R. e BRANDÃO, D. Análise Tecnológica de Redes Industriais Wireless. SENSE, [14] GOMES, R. D.; SPOHN, M. A.; FILHO, A. C. L.; ANJOS, E. G. and BELO, F. A. Correlation between Spectral Occupancy and Packet Error Rate in IEEE based Industrial Wireless Sensor Networks. IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, 2012, p. [15] WATANABE, A. T. Y.; NIED, A.; LEAL, A. B. and SOUSA A. H. ZigBee MAC Wireless Network Implementation Using a Remote Virtual Interface. IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, 2012, p. [16] GUNGOR, V. C. and HANCKE G. P. Industrial Wireless Sensor Networks: Challenges, Design Principles, and Technical Approaches. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2009, p. [17] ZHENG, L. ZigBee Wireless Sensor Network in Industrial Applications. Bexco, SICE-ICASE International Joint Conference, 2006, p. [18] HENNING, C. H. Desafios no Desenvolvimento de uma Rede Wireless para um Sistema de Controle de Válvulas em uma Refinária. São Paulo, ISA, [19] STRAND, E. B. WISA vs WLAN: Co-existence challenges. Master Science in Communication Technology, Department of Electronics and Telecommunications, Norweigan University of Science and Technology, 2007, 71p. [20] OLIVEIRA, P. R. P. Sistemas Wireless em Automação Industrial. São Paulo, ASCC, [21] LUGLI, A. B.; SCARPIONI, G. D.; MARTINS, G. V. S.; CASTRO, L. F. C. and CARVALHO, M. F. F. REDES SEM FIO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL. Santa Rita do Sapucaí, INATEL, [22] Site da Internet: CASSIOLATO, C. WirelessHart e o modelo OSI, SMAR Artigos Técnicos, 2011, disponível em: < >. Acessado em Março de [23] Site da Internet: WirelessHart Overview, HART COMMUNICATION FOUNDATION, 2012, disponível em: < Acessado em Novembro de [24] SOLDATI, P.; ZHANG, H. and JOHANSSON, M. D eadlineconstrained transmission scheduling and data evacuation in wireless Hart networks. Stockholm, Royal Institute of Technology, [25] AKERBERG, J.; REICHENBACH, F.; GIDLUND, M. and BJORKMAN, M. Measurements on an Industrial Wireless Hart Networking Supporting PROFIsafe: A Case Study. IEEE ETFA, Alexandre Baratella Lugli nasceu em Bragança Paulista, SP, em Agosto de É professor e coordenador dos cursos de graduação em Automação Industrial do Inatel, desde Jacques Vigato dos Santos nasceu em São Paulo, SP, em Novembro de É engenheiro de manutenção / confiabilidade na Phelps Dodge International Brasil, desde 2011.