Wireless: aplicação na automação industrial

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1 Artigos Técnicos Wireless: aplicação na automação industrial Ricardo Jacobina Silva, Diretor Técnico da Autocon Automação e Controle Ltda. Introdução Este artigo busca apresentar, essencialmente, a utilização da tecnologia Wireless na automação industrial em uma organização. Não existem ainda históricos de sucesso, só experimentos individuais. Estamos no início da curva de absorção tecnológica, a fase do aprendizado. A wireless não pode ser ignorada. Não acontecerá de um dia para o outro, mas, com certeza veremos, em um futuro não muito longe o impacto desta tecnologia na automação industrial. É importante compreender não apenas o potencial da tecnologia, mas as limitações e restrições atuais. O artigo visa apresentar uma visão prática com a aplicação dessa tecnologia de comunicação de dados, em conjunto com redes locais tradicionais de cabeamento e o uso dos telefones celulares. São apresentadas duas configurações diferentes para redes locais, com e sem controladores de barramento, e o uso dos telefones celulares do tipo WAP, onde abordamos aspectos mais técnicos com os principais conceitos da tecnologia WAP de comunicação de dados. Aplicação em redes locais A seguir vamos detalhar a utilização da tecnologia wireless na monitoração e na operação dos processos, em conjunto com uma rede local de comunicação de dados, uma Intranet, sua arquitetura e os componentes utilizados. Para situar melhor nossa descrição, consideremos a seguinte hierarquia de controle de processos industriais, composta por três níveis funcionais: Nível 1 Instrumentação, aquisição de dados e controle do processo. Nível 2 Supervisão, monitoração e operação do processo.

2 Nível 3 Integração, interface com os processos corporativos da empresa. Vamos encontrar a tecnologia wireless sendo utilizada nos níveis dois e três, Supervisão e Estratégico. As funções no nível dois são realizadas através do uso de equipamentos móveis, chamados de Estações de Operação Móveis, que se comunicam com as Estações de Trabalho Fixas, microcomputadores pessoais utilizando rádios. No nível estratégico, utiliza-se a rede Internet e telefones celulares para realizar a comunicação de dados. A comunicação é realizada através de estações de rádio, utilizando protocolos disponíveis no mercado, tais como: RangeLAN2, OpenAir e IEEE b. O mais conhecido talvez seja o padrão IEEE para acesso a redes locais do tipo Ethernet com protocolo TCP/IP. Vamos descrever uma arquitetura encontrada no mercado que utiliza controladores de barramento, agregando capacidade à rede de comunicação com a adição de pontos de acesso para a comunicação entre as estações de trabalho fixas e estações de operação móveis. Estações Móveis São computadores portáteis que implementam as funções de monitoração e operação de processos, representados, principalmente, por Palmtops, Unidades CE, Handhelds e Notebooks, dentre outros. São de dimensões bastante reduzidas e não possuem os componentes e periféricos tradicionais utilizados nos computadores pessoais, como os

3 teclados e vídeos convencionais, estes substituídos por displays de cristal líquido e a utilização da tecnologia de toque na tela. Utilizam, porém, um periférico muito importante para realizar a comunicação via rádio, um cartão de comunicação que normalmente é uma interface do tipo PCMCIA. Possuem capacidade para executar sistemas operacionais sofisticados e dedicados, sendo o mais conhecido o Windows CEâ da Microsoftâ. São adaptações reduzidas dos sistemas operacionais equivalentes para computadores pessoais de mesa e implementam apenas as funções necessárias e de grande uso. Os sistemas operacionais são armazenados e executados em memórias do tipo Flash e não utilizam unidades de disco rígido. Esses sistemas operacionais permitem a execução de softwares do tipo SCADA para controle, monitoração e aquisição de dados de processos, também adaptados para execução nesse ambiente reduzido. Desse modo, as funções do nível de supervisão de processos, operação e monitoração podem ser implementadas permitindo grande flexibilidade no gerenciamento dos processos produtivos, possibilitando às industrias maior capacidade e produtividade. Utilizando esses equipamentos móveis, os operadores podem enviar e receber dados e realizar a operação do processo próximo aos equipamentos e máquinas na planta industrial, evitando deslocamentos entre as salas de controle e o campo e até erros de comunicação entre operadores.

4 Figura 2 Palmtops e Handhelds: equipamentos de dimensões reduzidas, aqui comparados a telefones celulares. Notebooks e Unidades CE: executam o sistema operacional Windows CE. Estações Fixas São computadores Pessoais localizados nas salas de controle e operação da planta industrial. Executam os sistemas operacionais tradicionais de mercado, softwares do tipo SCADA e outros produtos para o suporte ao gerenciamento dos processos industriais. Essas estações implementam as funções de operação e de monitoração no gerenciamento de processos. Concentram as informações provenientes das estações móveis e realizam também a interface com os sistemas corporativos, através de aplicativos que implementam diretamente a comunicação com esses sistemas ou através de Banco de Dados Relacionais onde, ambos os sistemas, SCADA e Corporativo, têm acesso ao armazenamento e à recuperação de dados e informações geradas. Freqüentemente, implementam também funções de controle do processo, principalmente processos considerados não críticos como, por exemplo, processos de tratamento de água e saneamento e automação predial, processos que exigem respostas lentas. Utilizam nessa tarefa o software SCADA e um sistema operacional de alta segurança e confiabilidade na execução. Utilizam também o periférico para a comunicação via rádio, a interface do tipo PCMCIA. Arquitetura A arquitetura dos equipamentos utiliza Pontos de Acesso para realizar a comunicação via rádio com as estações móveis e Controladores de Pontos de Acesso para o gerenciamento e segurança da comunicação. Esses controladores centralizam a comunicação, o gerenciamento e os serviços de segurança para comunicação simultânea com vários pontos de acesso (Figura 3).

5 Funcionalmente, as estações móveis realizam a monitoração e operação do processo. Os operadores podem circular com as estações livremente dentro de uma área de influência dos equipamentos de rádio, realizando a operação do processo como se estivessem na sala de controle. As estações executam o software do tipo SCADA, utilizando-se das facilidades e recursos do sistema operacional dedicado. A área de influência é a região em torno do equipamento de rádio gerenciador da comunicação, o controlador nessa arquitetura (Figura 3), onde a comunicação de dados é segura e confiável com os pontos de acesso. Essa comunicação é realizada utilizando-se protocolos dedicados como RangeLAN2, OpenAir e IEEE b e situa-se em um perímetro que vai até a 400 metros, dependendo da velocidade de comunicação utilizada (até 5 Ghz). Quanto maior a velocidade, menor a distância segura. Os números variam entre fabricantes. Os controladores realizam, além das funções de gerenciamento da comunicação com os pontos de acesso, a interface com uma rede local de comunicação de dados padrão Ethernet com protocolo TCP/IP. O controlador será visualizado como um endereço IP nessa rede que, normalmente, é a rede de área do processo controlado com conexão direta à intranet da organização. Outra configuração utilizada não emprega os Pontos e Controladores de Acesso, cujas funções são realizadas pelas Estações Fixas (Figura 4). As estações móveis continuam sendo as mesmas, Handhelds, Notebooks ou Palmtops e utilizam também os protocolos RangeLAN2, OpenAir e IEEE b. As distâncias envolvidas, capacidades e limites permanecem também similares. Nessa configuração a vantagem fica por conta dos custos reduzidos sem a utilização dos pontos de acesso e controladores. Porém, limita-se o acesso, é menor número de estações móveis e, ao transferir as funções de gerenciamento da comunicação para as estações fixas, exige-se que estas sejam equipamentos de maior capacidade, para que não haja

6 perda de performance no controle do processo. Utilizando-se a tecnologia WAP A tecnologia adotada na automação industrial para utilização dos telefones celulares é chamada WAP - Wireless Application Protocol. É recente e ainda não foi exaustivamente testada. Os próprios padrões estão em evolução e ainda deverão sofrer modificações. Motorola, Nokia, Ericsson e Phone.com são os parceiros que em 1997 se juntaram para desenvolver o Wireless Application Protocol (WAP). O WAP foi criado para definir um padrão de como o conteúdo da Internet seria filtrado para acesso por dispositivos móveis. O WAP foi desenhado para acessar o conteúdo disponível na internet, enviando-os para as estações móveis, os celulares. Os telefones celulares possuem telas monocromáticas e bem pequenas, de modo que a melhor visualização se limita a textos, embora seja possível a utilização de telas gráficas. Na utilização tradicional da Internet utiliza-se um computador que centraliza informações em forma de páginas HTML (Hight Text Markup Language), denominado de Servidor WEB, ao qual têm acesso todos os computadores remotos. Nessa tecnologia, o celular fala diretamente com um gateway WAP, responsável por buscar páginas WML (Wireless Markup Language) armazenadas em um servidor WEB. Desse modo, o celular não vê diretamente os comandos WML, não recebe comandos inválidos, reduzindo-se bastante a complexidade do seu browser.

7 Quando é feita uma comunicação entre um celular e um site na Internet, entra em ação um gateway WAP que converte o protocolo usado nos telefones em protocolo TCP/IP. Como são protocolos diferentes, usam mecanismos de criptografia diferentes. Os dados que saem do celular são criptografados com o Wireless Transport Layer Security (WTLS), enquanto que os dados que circulam na Web (entre o gateway e o servidor) usam SSL (Secure Sockets Layer). Falando-se de informação, na Internet tradicional é comum gastar-se tempo em navegações pela Web em busca de dados. Existem custos embutidos, mas que não são barreiras limitantes à navegação. Já no celular, dificilmente alguém fará navegação sem rumo certo. Todo e qualquer acesso deverá trazer como retorno à informação ou transação desejada. O conteúdo deverá ser direcionado e personalizado ao máximo, para evitar demorados e custosos acessos. O usuário é móvel e interage diferentemente com o equipamento e suas informações. Um grande diferencial é a capacidade de posicionamento geográfico, ou seja, responder com informações específicas. Por exemplo: um usuário que busca informações sobre determinado parâmetro de um processo, não quer perder tempo recebendo informações sobre outras variáveis. As aplicações As diferenças entre as tecnologias da Internet, baseadas em microcomputadores, e a dos celulares é bastante significativa. O desafio é desenhar uma interface de navegação amigável, com tantas limitações de espaço e capacidade. As aplicações de maior sucesso serão as que conseguirem tirar o melhor proveito possível, e com criatividade, da capacidade de localização geográfica. O acesso a dados via a tecnologia WAP deve considerar: 1. O acesso à informação deve ser facilitado e sem muitas exigências. A intenção não é navegar, mas obter uma determinada e desejada informação de imediato de maneira concisa e rápida. 2. O acesso ao conteúdo deve ser feito quando o usuário necessitar da informação. Um usuário no celular tende a ser muito mais impaciente na espera da resposta. A atenção na rapidez deve ser redobrada. 3. O envio de mensagens redundantes, informações inúteis e não adequadas, não são bem-vindas. 4. Deve-se evitar desperdício de banda de passagem. Muitos celulares terão telas em branco e preto, e os coloridos não têm nitidez e contraste de cores; 5. Considerar sempre que o usuário lê a tela do celular em diferentes níveis de luminosidade, inclusive a céu aberto, sob o sol de 40 graus. Imagens pouco contrastantes serão praticamente ilegíveis. Devem ser usadas apenas quando puderem substituir com reais vantagens textos concisos;

8 6. Como a tela é pequena, determinadas imagens podem ficar grandes demais ou complexas e difíceis de serem compreendidas. As informações mais relevantes devem aparecer primeiro. 7. Usar menus curtos, ao invés de solicitar que o usuário digite dados. Evitar que o usuário entre com dados, solicitar o mínimo necessário e investir ao máximo na personalização; 8. E finalmente teste ao máximo possível a aplicação. A tela será visível sob sol forte? É facilmente lida e compreendida, mesmo quando o usuário está caminhando? Pode ser acessada por qualquer marca de aparelho, com visualização similar? Atualmente um telefone celular não mantém dentro de si arquivos que possam conter código executável. Mas espera-se que essa funcionalidade aumente significativamente em muito pouco tempo. Em breve o padrão WAP permitirá a execução de scripts. Além disso, com a convergência entre Handhelds e celulares, os telefones terão recursos muito mais sofisticados. WAP no Brasil O cenário WAP no Brasil ainda é incerto. Ninguém pode garantir quantos usuários estarão realmente usando essa tecnologia no fim deste ano ou no próximo. Mas, à medida que mais e mais serviços forem sendo desenvolvidos e os usuários pós-pagos começarem a trocar seus celulares, o panorama poderá ser bem diferente. Total em 2000: 17 milhões de assinantes. Previsão para 2005: 58 milhões de assinantes. Previsão de chegada do 3G: Ano (Fonte: Anatel Novembro/2000) A terceira geração Wireless - 3G A Terceira Geração Wireless é um termo genérico usado como referência para a próxima geração de Sistemas Móveis de Comunicação. O Sistema 3G irá fornecer uma gama de serviços de transferência de voz, texto e dados, em alta velocidade. Imagine uma conexão entre telefones celulares com uma videocâmara, sem interrupções, conectando-se rapidamente ao seu servidor de dados Web e acessando documentos e dados de processo em alta velocidade e com segurança. Estas possibilidades, dentre muitas outras serão possíveis com a chegada da Terceira Geração Wireless. O conceito tecnológico para o sistema 3G e seus serviços está atualmente sendo desenvolvido pela industria wireless através da UMTS-

9 Universal Mobile Telecommunications System. O UMTS é a plataforma móvel preferida para distribuir os futuros serviços de alto conteúdo e aplicações agregados. O UMTS tem sido alvo de intensos esforços mundiais em pesquisa e desenvolvimento ao longo da última década, e tem o apoio de muitos dos grandes operadores e fabricantes de telecomunicações, pois representa uma oportunidade única de criação de um mercado móvel altamente personalizado e amigável. O UMTS é superior aos sistemas móveis de segunda geração (2G) por sua capacidade de suportar taxas de dados de até 2Mbits/s. Essa capacidade, juntamente com o suporte inerente ao protocolo Internet (IP), combina capacidade de oferecer serviços interativos multimídia e novas aplicações que requerem banda larga como vídeo-telefonia e vídeo-conferência. Suas principais características são: Serviços personalizados e fáceis de usar; Telefones e outros equipamentos para interface de usuário ; Baixo custo de serviços; Serviços multimídia; Conectividade virtual à rede a qualquer momento; Formas alternativas de billing, isto é pay-per-byte, per session, flat rate, up-link/down-link asymmetric bandwidth ; A fase de implementação básica deve se iniciar em 2002 e a operação comercial plena em , com aumentos de performance e capacidade, e a introdução de serviços UMTS novos e sofisticados.