CONVERGÊNCIA ENTRE REDES MÓVEIS E REDES DE AUTOMAÇÃO PARA TELEMETRIA

CONVERGÊNCIA ENTRE REDES MÓVEIS E REDES DE AUTOMAÇÃO PARA TELEMETRIA Ronaldo Tomazeli Duarte, Sérgio Alexandre Barbosa Muraro Seg Sistemas de Controle Ltda, Brasil Introdução O avanço das tecnologias ligadas à área de comunicação móvel tem viabilizado inúmeras soluções wireless de automação industrial, que até recentemente esbarravam nas limitações técnicas ou nos altos custos das tecnologias disponíveis. Dentre as tecnologias existentes para comunicação a longas distâncias, poderíamos citar os sistemas de satélite, os rádios enlaces e mais recentemente as redes de telefonia móvel, como soluções para a criação de redes wireless de automação. Todas estas tecnologias apresentam suas vantagens e desvantagens, cabendo uma análise detalhada de confiabilidade e custo da aplicação em questão para definir qual a melhor opção. Os sistemas de satélite, apesar dos altos custos de implantação e manutenção, apresentam uma ampla área de cobertura, que certamente não será obtida por nenhum outro sistema. Os rádios enlaces apresentam custos moderados de implantação e manutenção, ficando limitado basicamente por sua área de cobertura. Já os sistemas de telefonia móvel, que vêm conquistando espaço neste mercado de telemetria, apresentam baixos custos de implantação e manutenção, além de uma ampla área de cobertura, esbarrando basicamente na questão da dependência dos serviços prestados pelas operadoras de telefonia móvel. Diante deste panorama, discorreremos sobre as possibilidades de convergência das tecnologias de comunicação móvel e as aplicações em automação industrial. Metodologia Em um sistema convencional de aquisição de dados, as estações de monitoração obtêm variáveis fornecidas pelos coletores de dados, através de um canal de comunicação cabeado ou sem fio de curta distância. As estações de monitoração utilizam os dados coletados com diversas finalidades, tais como a exibição em tempo real para os operadores do sistema, para geração e gerenciamento de alarmes, para o armazenamento em banco de dados para consulta de histórico, entre outras aplicações. Os coletores de dados são equipados com interfaces analógicas de sensoriamento, capazes de digitalizar variáveis de interesse como temperatura, pressão e vazão, e com interfaces de comunicação digital por onde as variáveis digitalizadas são transferidas. Existem padrões para as especificações elétricas das interfaces de comunicação digital, como o RS-232 (1), o RS-485 (2) e o IEEE 802.3 (Ethernet) (3), entre outros. Neste trabalho, as especificações elétricas das interfaces de comunicação digital serão denominadas como meio físico. Existem também padrões para a definição do formato dos dados comunicados, o comportamento de cada elemento do sistema e as possíveis interações permitidas. Este conjunto de definições é denominado protocolo. No ambiente industrial, existem dezenas de protocolos, com diferentes focos e características. Para que a operação conjunta das estações de monitoração e dos coletores de dados seja possível, é imprescindível que ambos trabalhem com as mesmas especificações elétricas e de protocolo em suas interfaces de comunicação digital. O protocolo Modbus é largamente aplicado em sistemas industriais com foco em aquisição de dados, ele define primitivas para leitura e escrita de variáveis. Sua aceitação deriva de sua simplicidade e do vasto número de dispositivos compatíveis. O protocolo possui três variantes, sendo que duas correspondem pela maioria das aplicações existentes: o Modbus RTU (4), concebido para operação em meios físicos RS- 232 e RS-485, e o Modbus TCP (5), para operação em meio físico Ethernet e que faz uso do conjunto de protocolos conhecido como pilha TCP/IP. A opção por uma das variantes é feita pela consideração de fatores como infraestrutura existente, distâncias máximas de comunicação necessárias e taxas de comunicação requeridas. Por operarem sobre meios físicos distintos, as variantes RTU e TCP do Modbus são compatíveis apenas no nível de protocolo, demandando o uso de conversores para comunicação entre elementos operando com diferentes variantes. O protocolo Modbus opera sobre o modelo de comunicação mestre/escravo. Neste modelo, elementos aquisitores de dados são responsáveis pelo início das transações (mestres), e os elementos que fornecem as informações respondem quando solicitados (escravos). No escopo deste trabalho, será considerada a aplicação do protocolo Modbus

para monitoração. As estações de monitoração são mestres trabalhando com a variante Modbus TCP e os coletores de dados são escravos operando com a variante Modbus RTU sobre o meio físico RS-485. Para um sistema convencional de monitoração por Modbus, é suficiente a existência das estações de monitoração e dos coletores de dados. Como abordado anteriormente, existem aplicações em que a monitoração de coletores de dados dispersos geograficamente se faz necessária. A abordagem mais radical para atender este requisito seria equipar as estações de monitoração e os coletores de dados com meios físicos e protocolos capazes de comunicarem-se em longas distâncias. Porém, esta abordagem envolve atualização de dispositivos culminando em descarte de base instalada. Uma abordagem mais interessante é introduzir dispositivos adicionais que capacitem a monitoração a longas distâncias sem substituição da base instalada. A arquitetura proposta na figura 1 introduz elementos que permitem estender o raio de comunicação utilizando as estações de monitoração e os coletores de dados de um sistema convencional. monitoração e os coletores de dados sejam capazes de manter a conectividade dada a existência de três redes distintas. Como descrito anteriormente, os coletores de dados possuem comunicação Modbus RTU sobre meio físico RS-485. Desta forma, é evidente que existe incompatibilidade quando considerada a hipótese de utilização da rede celular para atingir os coletores. A rede celular possui seus protocolos de negociação, desconhecidos no ambiente industrial, e é por natureza sem fio. A compatibilização é feita através do elemento denominado unidade terminal remota (UTR), cuja estrutura é ilustrada na figura 2. Figura 2 - Estrutura da unidade terminal remota. Figura 1 - Sistema de telemetria. Os elementos propostos na figura 1 são os concentradores de dados, as unidades terminais remotas (UTRs) e o servidor de telemetria. São destacadas também três redes de comunicação. A rede corporativa (ou interna) é a rede sob controle da corporação responsável pelo sistema de monitoração. Em um sistema convencional, tanto as estações de monitoração quanto os coletores de dados são conectados a esta rede, sendo esta a única rede necessária. A rede celular (GSM, 3G, 4G) é a rede de longo alcance que permite a dispersão geográfica dos coletores de dados, que saem do domínio da rede corporativa. A rede mundial Internet é utilizada como ponte entre a rede corporativa e a rede celular. Como justificativa para introdução de cada elemento proposto é interessante o exercício de investigar de que forma as estações de A unidade terminal remota possui duas interfaces de comunicação. A interface RS-485 é utilizada para comunicação com coletores de dados em rede. Fica evidente que unidades terminais remotas devem ser instaladas próximas aos coletores de dados. A outra interface de comunicação é um modem celular, por exemplo, um modem GSM/GPRS. Esta interface é necessária para que a unidade terminal remota se conecte a rede celular. Quando conectado à rede celular, o modem recebe um endereço IP, podendo assim fazer uso da pilha de protocolos TCP/IP. Assim, a unidade terminal remota expõe os coletores de dados com visibilidade pela rede celular. A unidade terminal remota recebe os pedidos dos mestres Modbus (estações de monitoração) e os repassa para os coletores de dados. Os coletores processam o pedido, produzem a resposta com os dados solicitados, em seguida, a unidade terminal remota envia a resposta para a estação de monitoração adequada. A pilha de protocolos TCP/IP oferece dois protocolos de transporte que a unidade terminal remota pode utilizar para comunicação na rede celular: o UDP (User Datagram Protocol) (6) e o TCP (Transmission Control Protocol) (7). O TCP fornece um serviço com controle de fluxo e de sequência de dados, ao custo de transmissão de dados de controle adicionais. O UDP é mais econômico em número de bytes de controle,

porém os controles disponíveis no TCP não existem. A variante Modbus TCP utilizada nas estações de monitoração utiliza o protocolo de transporte TCP. Caso as unidades terminais remotas adotem o TCP, existirá compatibilidade ponto a ponto, e a arquitetura final do sistema estaria definida. As unidades terminais remotas seriam os únicos dispositivos necessários para distribuição geográfica dos coletores de dados. O roteamento de pacotes IP característico da Internet se encarregaria do tráfego de informações. Porém, é necessário levar em consideração a possibilidade de existência de dispositivos de tradução de endereço na fronteira da rede celular. Dispositivos de tradução de endereço (NAT Network Address Translation) são aplicados atualmente para mitigar o problema da escassez de endereços IPv4. O protocolo IP (Internet Protocol) é o protocolo de rede adotado na Internet. A premissa básica de operação do protocolo IP é que cada dispositivo conectado na Internet possua um endereço IP próprio com visibilidade global. A versão do protocolo IP conhecida como IPv4 define o endereço como um número de 32 bits. Quando da definição deste formato de endereço, o tamanho do espaço de endereçamento era visto como adequado. Diante da explosão no número de dispositivos conectados a partir do final da década de 90, o espaço de endereçamento do IPv4 mostrou insuficiente. Como resposta, surgiu o IPv6, com endereços de 128 bits, capazes de atender ao enorme número de novos dispositivos conectados diariamente. Infelizmente, as versões IPv4 e IPv6 não são compatíveis, porque mudam o formato do cabeçalho do pacote IP. A transição para o IPv6, portanto, é complexa e ainda está em andamento. Como solução paliativa de extensão do espaço de endereçamento do IPv4 surgiram os dispositivos de tradução de endereço. A premissa básica de um dispositivo de tradução de endereço é simples. Tais dispositivos criam um espaço de endereçamento IPv4 privado. Entende-se por privado um endereço IPv4 gerenciado localmente, ou seja, um endereço que não oferece garantia de que seja único globalmente. Esse espaço de endereçamento privado é mapeado pelo dispositivo de em um endereço público, ou seja, um endereço IPv4 com garantia de unicidade e que seja roteável a partir de qualquer ponto da Internet. Portanto, do ponto de vista de outros dispositivos na Internet, todos os dispositivos do espaço privado do tradutor de endereços são vistos como um único endereço IPv4 público. A terminologia aplicada aos dispositivos de tradução de endereço é definida na RFC 2663 (8). O mapeamento de vários dispositivos com endereços privados em um único endereço público é capaz de aumentar o número de dispositivos, porém com um efeito colateral importante. Os endereços privados não são visíveis globalmente, quebrando, assim, a premissa de conectividade global da Internet. Um dispositivo atrás de um tradutor de endereços consegue comunicar-se com um endereço público, porém o contrário não é possível. Como descrito, existe a impressão de os pacotes oriundos de dispositivos públicos nunca serão roteados até o dispositivo privado atrás do tradutor de endereços. Isto impossibilitaria qualquer possibilidade de aplicação de tradutores. Para mitigar este fato, os tradutores de endereço permitem que os pacotes oriundos da rede pública sejam roteados para o dispositivo dentro da rede privada que originou a comunicação. Esta janela de roteamento fica aberta por um breve período de tempo, específica para cada modelo de tradutor de endereços. Esta janela de tempo permite, por exemplo, que um navegador Web em um computador com um endereço privado seja capaz de receber conteúdo localizado na rede pública. Diante do exposto, fica claro que a conectividade entre a estação de monitoração e as unidades terminais remotas não é garantida. A operadora da rede celular pode optar pelo uso de um ou mais tradutores de endereço para gerenciamento do espaço de endereçamento, o que acarretaria na alocação de endereços privados para as unidades terminais remotas. Além de privados, os endereços podem ser dinâmicos, mudando de acordo com a conveniência da operadora. Para contornar os efeitos decorrentes da tradução de endereços, propõe-se a introdução de um elemento denominado servidor de telemetria. O servidor de telemetria é um dispositivo dotado de um endereço IP público, e que opera em conjunto com as unidades terminais remotas. O servidor de telemetria possui dois objetivos principais de operação. A primeira funcionalidade do servidor é agir como um diretório de localização dos endereços IP das unidades terminais remotas. As unidades terminais remotas são programadas para enviar periodicamente ao servidor de telemetria um pacote de dados informando quais são os coletores de dados a elas. Ao receber este pacote, o servidor de telemetria consegue identificar em qual endereço público a unidade terminal remota pode ser alcançada, e adicionalmente consegue construir uma tabela mapeando os coletores de dados a um endereço IP público. Assim, os efeitos colaterais de mudanças de endereços privados e da tradução do endereço são mitigados. Existe outro fator a ser contornado que é a janela de tempo de roteamento da rede pública

para a privada no tradutor de endereços. Não é suficiente apenas conhecer o endereço público da unidade terminal remota. Pacotes enviados para o endereço público do tradutor serão descartados caso não sejam recebidos dentro da janela de tempo adequada. A solução evidente é manter a janela aberta constantemente, o que implica em fazer a unidade terminal remota transmitir dados para a rede pública periodicamente. Esta técnica é conhecida como hole-punching (9). Como a transmissão na rede celular é tarifada, é um fator de projeto determinar a periodicidade das transmissões. Períodos curtos podem implicar em tarifas altas e possíveis limites de comunicação excedidos. Períodos altos podem ser insuficientes para manter a janela aberta. Apesar de agir como um diretório global de localização das unidades terminais remotas é importante lembrar que ele é um elemento estranho na arquitetura padrão Modbus. As estações de monitoração poderiam, em tese, consultar o endereço de cada unidade terminal remota através do servidor de telemetria. Porém, as estações de monitoração são compostas por software de terceiros, habilitadas para comunicação padronizada. Novamente surge a necessidade de adaptação da arquitetura para acomodar essa incompatibilidade, propondo-se assim a introdução do dispositivo denominado concentrador. O concentrador é concebido como um elemento capaz de abstrair o acesso remoto às unidades terminais remotas. Para tal fim, ele fornece uma interface Modbus TCP por onde as estações de monitoração se conectam. O nível de abstração desejado é tal que, do ponto de vista das estações de monitoração, as variáveis dos coletores de dados estejam disponíveis localmente no concentrador. Essa abstração permite manter a interface Modbus TCP da estação de monitoração intocada e incorporar as consultas ao servidor de telemetria ao concentrador. A análise de uma busca de dados por parte da estação de monitoração é útil para compreender o fluxo de informações e explicitar a funcionalidade de cada elemento da arquitetura proposta. Ao receber uma solicitação de dados de um determinado coletor, o concentrador faz uso do servidor de telemetria para descobrir qual o endereço público da unidade terminal remota ligada ao coletor. O endereço público retornado pode ser da própria unidade, ou do tradutor de endereços quando este é empregado. O coletor envia a solicitação para o endereço público. Caso seja o de um tradutor, a janela está aberta porque a unidade terminal remota a mantém aberta com transmissões periódicas A unidade terminal remota recebe a solicitação e a encaminha na rede RS-485 até o coletor desejado. Após o coletor responder com os dados desejados, o fluxo de informações é efetuado de forma inversa, até chegar ao endereço público do concentrador. Vale a pena ressaltar neste ponto que o concentrador pode estar dentro de uma rede privada com tradução de endereços, porém o roteamento reverso é realizado porque a janela foi aberta pelo próprio concentrador ao enviar a solicitação de dados. Após receber os dados, o concentrador os envia para a estação de monitoração, fechando o ciclo. Resultados A validação da arquitetura de telemetria foi realizada com a implementação de protótipos. O sistema construído baseou-se em uma estação de monitoração e coletores de dados de terceiros, impossibilitando qualquer modificação de programas ou circuitos. Desta forma, é possível validar a compatibilidade dos elementos prototipados com dispositivos de mercado. A unidade terminal remota proposta é mostrada na figura 3. Ela é equipada com uma antena para comunicação celular e uma interface RS-485 para comunicação com os coletores de dados. É equipada também com software desenvolvido para recebimento das solicitações enviadas pelos concentradores, conversão para envio aos coletores de dados e envio das respostas. A unidade terminal remota possui entradas digitais, de forma que pode coletar dados de sensores tipo ligado/desligado. Para monitoração destas variáveis, o concentrador recebe um endereço Modbus do servidor de telemetria, que pode ser usado pelas estações de monitoração. Figura 3 - Unidade terminal remota. O servidor de telemetria foi alocado em um servidor com endereço IP público. Existe neste servidor uma base de dados MySQL para armazenamento do diretório de endereços IP das unidades terminais remotas. O algoritmo desenvolvido para o servidor de telemetria prevê o tratamento das mensagens recebidas das unidades terminais remotas contendo seus respectivos endereços públicos e o tratamento das mensagens de resolução de mapeamento enviadas pelos concentradores.

O concentrador foi elaborado em um módulo microprocessado com uma interface Ethernet. O algoritmo desenvolvido para o concentrador prevê o tratamento das requisições de monitoração provenientes do mestre e o roteamento adequado da requisição até a unidade terminal remota adequada. O concentrador, de forma similar à unidade terminal remota, recebe um endereço Modbus para fornecer às estações de monitoração dados de diagnóstico e configurações de parâmetros operacionais do sistema. A escolha de protocolo de transporte para a comunicação entre concentrador, servidor de telemetria e unidades terminais remotas foi o UDP. O princípio desta escolha é a diminuição da quantidade de informações de controle transmitidas quando comparado ao TCP. A ausência destas informações de controle torna o UDP mais leve, porém sem algumas garantias do TCP como sequenciamento automático de mensagens e gerenciamento de retransmissões. Ainda assim, o UDP mostra-se interessante no contexto da telemetria porque as redes celulares são tarifadas por quantidade de informação trafegada. Os pacotes de dados trocados entre o concentrador e as unidades terminais remotas possuem números de sequência para que sejam processadas na ordem correta. É importante ressaltar que a escolha por UDP em nada afeta o comportamento padronizado esperado pelas estações de monitoração e pelos coletores de dados, já que a comunicação UDP é abstraída e só é percebida entre concentrador e unidade terminal remota. Como prova de conceito, três unidades terminais remotas, cada uma conectada a um coletor de dados, foram distribuídas e monitoradas remotamente através de duas estações de monitoração, a partir de dois concentradores distintos. O tempo de atualização médio das variáveis foi de cinco segundos, devido quase que exclusivamente à latência de comunicação da rede celular. Discussão e Conclusões A arquitetura proposta atende ao objetivo de permitir telemetria de variáveis de processo obtidas de coletores de dados através de rede celular, com possibilidade de operação conjunta com tradutores de endereço IP e endereços IP variáveis. A arquitetura mostrou-se interoperável com o protocolo Modbus, favorecendo a utilização da base já instalada. O sistema, por depender da infraestrutura de rede celular, possui latência e probabilidade de erros de transmissão e recepção consideravelmente maiores que um sistema de monitoração cabeado. Portanto, é importante identificar quais tipos de aplicações são atendidas pelo sistema proposto. Aplicações em que uma grande quantidade de variáveis é requisitada frequentemente são melhor atendidas por um sistema não distribuído e cabeado. Aplicações adequadas para o sistema proposto são as que possuem variáveis ditas lentas, como nível e temperatura, em que leituras com períodos na ordem de minutos são suficientes. A escolha adequada do sistema proposto à aplicação é fundamental para o correto funcionamento. Referências 1. Electronic Industries Association. Engineering Department. Interface between data terminal equipment and data communication equipment employing serial binary data interchange, 1969 2. Electronic Industries Association. Standard for electrical characteristics of generators and receivers for used in balanced digital multipoint systems, 1983 3. IEEE Standards Association, IEE Standard for Ethernet. Disponível em https://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html. 4. Modbus over Serial Line Specification and Implementation Guide. Disponível em http://www.modbus.org/docs/modbus_over_s erial_line_v1_02.pdf 5. Modbus Messaging on TCP/IP Implementation Guide. Disponível em http://www.modbus.org/docs/modbus_messag ing_implementation_guide_v1_0b.pdf 6. Internet Engineering Task Force, RFC 768, User Datagram Protocol. Disponível em https://tools.ietf.org/html/rfc768 7. Internet Engineering Task Force, RFC 675, Specification of Internet Transmission Control Program. Disponível em https://tools.ietf.org/html/rfc675 8. Internet Engineering Task Force, RFC 2663, IP Network Address Translator (NAT) Terminology and Considerations. Disponível em https://tools.ietf.org/html/rfc2663 9. Ford B, Srisuresh P, Kegel D. Peer-to-Peer Communication Across Network Address Translators. 2005 USENIX Annual Technical Conference. Contato Ronaldo Tomazeli Duarte eng@segcontrole.com.br Sérgio Alexandre Barbosa Muraro sergio@segcontrole.com.br Rua Silo Simões 373, box 20 Sertãozinho SP (16) 3041 3888