ARQUITETURA E TOPOLOGIA WIRELESS PARA AMBIENTE INDUSTRIAL

CONFIABILIDADE DA COMUNICAÇÃO WIRELESS

A percepção geral de que a comunicação sem fio é instável parece ser atribuída à nossa experiência diária com telefones celulares e redes wireless locais.

O rápido progresso da tecnologia celular, indica que a mais nova tecnologia de comunicação digital wireless (sem fio), pode ser usada para garantir que as taxas de transmissão de dados, em alta velocidade, e a confiabilidade sejam mantidos, enquanto os usuários estão andando ou se movendo, em carros e trens.

No entanto, o fato do usuário se mover a uma certa velocidade, e que o local de utilização não seja fixo, são condições difíceis para a comunicação sem fio, pois o ambiente das ondas de rádios muda dinamicamente, resultando na instabilidade típica da comunicação sem fio.

Enquanto isso, em muitas aplicações industrias, o local de medição é fixo, e mesmo se houver a necessidade de movimento, a velocidade e a amplitude do movimento são moderados, bem como a velocidade de transferência de dados, que podemos considerar relativamente baixa. Isso permite que a confiabilidade da comunicação seja mantida. Em outras palavras, é possível estabelecer de antemão, as condições suficientes para garantir uma
boa comunicação sem fio.

Ao introduzir a mais recente tecnologia digital sem fio em um ambiente relativamente privilegiado, podemos garantir que a comunicação sem fio seja tão confiável quanto a comunicação com fio.

YOKOGAWA DESENVOLVE SISTEMA DE CONTROLE CONFIÁVEL UTILIZANDO WIRELESS ISA100.

A tecnologia sem fio ISA100, abriu caminho para a fácil integração em aplicações de monitoramento e controle em plantas com infraestrutura com fio, e pouca infraestrutura sem fio.

A Yokogawa está trabalhando na aplicação de tecnologias sem fio que podem ser adequadas, tanto para fins de monitoramento, quanto para fins de controle em todas as plantas.

A imagem abaixo, mostra o esquema de ligação de um sistema wireless para controle de nível (imagem 01).

Imagem 01: Controle de nível, com instrumentos wireless

REDUÇÃO DE CUSTOS EM MEDIÇÕES DE LONGA DISTÂNCIA

Em muitos casos, para se obter uma cobertura adequada em grandes distâncias, são necessárias as instalações de repetidores e dispositivos adicionais.

O sistema ISA100, permitem a comunicação em até 3,6 km entre dispositivos, utilizando antenas remotas. Isso significa que em uma rede com 4 saltos (hops), o sistema sem fio da Yokogawa pode cobrir uma área de 13,6 km de raio (imagem 02).

Imagem 02: 04 saltos, área de 13,6 km.

Obs: Com a utilização de antenas de alto ganho (15 dbi) podemos alcançar uma distância de 15km.

ESCOLHA DE UM SISTEMA WIRELESS CONFIÁVEL, PARA PEQUENAS E GRANDES APLICAÇÕES

A solução sem fio confiável, é sempre uma das principais preocupações dos engenheiros industriais.

O novo sistema wireless da Yokogawa, reforçou ainda mais o “Radio Confiável” nos
dispositivos de campo, redundância total e implementando o método de comunicação “DUOCAST” (imagem 03), nos access points (YFGW510), e permitiu que duas estações de gerenciamento redundante, trabalhem simultaneamente para atingir a confiabilidade geral do sistema sem fio.

Devido a este projeto original, um único sistema sem fio da Yokogawa pode ser muito flexível, podendo conter até 500 devices de campo, comunicando de forma confiável.

Imagem 03: Duocast

O device faz somente uma comunicação e atualiza os pontos de acesso principal e redundante.

SEGURANÇA ATRAVÉS DA COMUNICAÇÃO DIGITAL

Mesmo para comunicação fixa sem fio, existem algumas preocupações, tais como: interferência, cross-talk de outras comunicações sem fio e interferências com a mesma frequência para fins maliciosos.

Além disso, os sinais de comunicação sem fio viajam através do ar e atingem zonas circundantes, de forma que há preocupações, como a intercepção e espionagem por um terceiro, ou invasão na rede sem fio a partir do exterior.

Uma resposta a essas preocupações é a evolução da tecnologia analógica para a comunicação sem fio digital.

A comunicação sem fio na era analógica era vulnerável em termos de segurança, uma vez que podia ser interceptada por qualquer pessoa usando um receptor com a mesma frequência, e facilmente ocorriam interrupções e interferências.
No entanto, a introdução da tecnologia digital para comunicação sem fio reduziu significativamente estas preocupações.

A imagem (imagem 04) a seguir fornece uma visão geral da tecnologia digital.

Imagem 04: Tecnologia digital

CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA COMUNICAÇÃO WIRELESS

Existem alguns mal-entendidos e preocupações sobre o impacto ambiental na comunicação sem fio.

Por exemplo: não é verdade que a comunicação sem fio é vulnerável a fortes campos magnéticos, ou que a comunicação seja interrompida pela chuva. A comunicação sem fio é mais vantajosa que a comunicação com fio, neste item.

Os tópicos abaixo resumem as relações entre as comunicações sem fio e as condições ambientais.

Os danos causados por descarga atmosférica
Relâmpago é um fenômeno onde a corrente gerada flui através de cabos de comunicação e cabos de energia, causando danos aos dispositivos eletrônicos conectados a estes cabos. Nesse caso, há a necessidade de instalação de proteções contra raios.

Interferência Comunicação por um raio
A frequência de ondas eletromagnéticas geradas por uma descarga elétrica, produzida por um raio, possui uma gama de 1 hertz a 1 gigahertz. No entanto quanto maior a frequência, menor a energia gerada, e o problema só ocorre quando a descarga elétrica e a comunicação ocorrem ao mesmo tempo. Se isto acontecer, o problema pode ser resolvido com um controle de retransmissão.

Impacto da chuva, neve e neblina
A faixa de 2,4 GHz, usada para comunicação sem fio sofre pouco impacto da chuva e da neve. Isso foi comprovado por experimentos.

Em geral diz-se que a comunicação começa a ser influenciada a partir de 10 GHz ou
mais.

Risco de desconexão
A comunicação sem fio está livre do problema de desconexão de cabos, que ocorre quando um cabo é rompido, ou quebrado, por conta de deterioração, desastre ambiental ou ambientes agressivos, ou também cortado intencionalmente por pessoal mal intencionadas.

Impacto de fortes campos magnéticos

Um campo magnético geralmente não causa problemas em faixas de alta frequência, como nas comunicações sem fio, e sem em baixas frequências.

A comunicação sem fio, nesse caso, é vantajosa em relação ao sistema com fio, devido a corrente de indução gerada em um fio condutor.

NOVO CONCEITO EM BATERIAS

O design único do compartimento de baterias (imagem 05), permite que as baterias dos instrumentos de campo possam ser trocadas diretamente na área, mesmo dentro de uma área de risco. Não havendo necessidade da retirada do instrumento para que a bateria seja trocada em um laboratório ou oficina.

Estes compartimentos permitem trocar a bateria, sempre que necessário, reduzindo assim os custos e desperdícios, e ao mesmo tempo, torna o processo de substituição mais eficiente possível. Isso elimina o uso de materiais dedicados.

As baterias usadas são células D de Lithium/Thionyl. Estas baterias possuem excelente potência em virtude das características de temperatura, juntamente com uma longa vida, tornando adequadas para a utilização em diversos tipos de ambientes.

Imagem 05: Case de baterias e baterias

ISA 100 E DPHARP NO MUNDO DIGITAL

Casar os benefícios do DPHARP com a tecnologia ISA100 permitiu um novo padrão para sensores sem fio, levando a uma proposta verdadeiramente única. Sensores digitais de alta precisão com todos os benefícios da instalação sem fio, como: redução de engenharia, mão de obra para infraestrutura, flexibilidade de comissionamento, permitindo a expansão da rede de sensores sempre que houver necessidade.

A associação do DPHARP com o ISA100 representa o compromisso da Yokogawa em continuar oferecendo soluções de ponta para as indústrias líderes do mercado. Confiável, seguro, flexível e intuitivos as novas séries de transmissores sem fio simplificam todos os aspectos da implementação wireless, além de oferecer a excelência como padrão.

Permitem a instalação em montantes: dutos, cabeças de poços remotos ou jusantes: parques de tanques, colunas de vácuo, etc. Nossos transmissores irão continuar oferecendo medições precisas e confiáveis do processo.

Os transmissores sem fio irão aumentar sua visibilidade do processo, reduzindo os pontos cegos operacionais, que por sua vez, irão reduzir a variação do processo, aumentando o rendimento e a reprodutibilidade do produto e reduzindo custos.

ISA100 traz benefícios reais para atender suas necessidades ao ciclo de vida sustentável, agora e no futuro.

PADRÃO DE COMUNICAÇÃO ISA100

A tecnologia sem fio, como telefones celulares e redes se tornou uma parte indispensável em nossas vidas. Agora há uma maior demanda para a compatibilidade da instrumentação com a tecnologia sem fio. Então, qual a melhor tecnologia sem fio para utilizar?

Uma variedade de fornecedores, incluindo a Yokogawa tem oferecido implementações simples do sistema de comunicação sem fio, mas eles não estavam sendo amplamente aceitos, pelas seguintes razões:

• A maioria usa protocolos de comunicação proprietários limitando assim aplicações
  potenciais.
• A maioria usa protocolos de comunicação proprietários limitando assim aplicações
  potenciais.
• Não era possível para um conjunto de instrumentação sem fio lidar com várias
  marcas de produtos.
• Engenheiros não foram capazes de ignorar as preocupações sobre a segurança e
  confiabilidade dos canais de comunicação.

Mas agora, a Yokogawa adotou o padrão de comunicação sem fio ISA100.11a que é voltado para Automação Industrial, e trabalham para tornar os dispositivos sem fio de fácil utilização, a atenderem os padrões internacionais.

Estas informações são baseadas em solicitações de usuários, para redes industriais sem fio. O padrão ISA100.11a atende a todos esses pedidos de uma só vez.

Ao adotar a tecnologia sem fio, baseado no padrão ISA100.11a, seremos capazes de construir um sistema altamente confiável, prometendo novos estilos de instrumentação, e estamos confiantes que podemos resolver muitos dos seus problemas.

PROJETOS BASEADOS NO MÉTODO SKY MESH

A localização dos instrumentos que serão instalados em uma planta, é a parte mais difícil de se projetar, devido a “selva de tubos” existentes em algumas plantas, como exemplo em uma refinaria de petróleo.

Os access point normalmente são instalados nos telhados das salas de controle ou em locais similares. Enquanto isso, os devices de campo são instalados na “selva de tubos”, nos locais onde deverão realizar as medições. Nesses lugares, muitas vezes a linha de visão é limitada, além de que alguns instrumentos ficam a distâncias maiores que 600m dos access points, sendo difícil estabelecer uma comunicação direta entre eles.

Nestas áreas, geralmente são construídas torres altas, como as colunas de destilação, por exemplo. Na maioria dos casos, o topo destas torres pode fornecer uma linha de visão com os access points.

Assim, com a instalação de repetidores no topo destas torres, é possível criar uma zona Fresnel entre o repetidor e o access point, tornando a comunicação ideal entre eles. Neste cenário, os devices de campo têm suas rotas de comunicação direcionadas aos repetidores, que estão no topo da torre, cabendo ao repetidor a transmissão do sinal para o access point (imagem 06).

Está provado que a qualidade de comunicação é garantida, mesmo que os repetidores estejam a cerca de 30m de altura e os devices a menos de 50m desta torre, pois as ondas podem ser refletidas nas estruturas metálicas, melhorando a qualidade da comunicação.

Como dito acima, a instalação de repetidores em lugares altos, pode garantir a zona de Fresnel para a comunicação com os access points. Além disso, elimina o receio que veículos, ou outros obstáculos possam bloquear o caminho da comunicação.

Na comunicação sem fio, caminhos redundantes são criados para evitar o bloqueio desse sinal, reduzindo a possibilidade de falha na comunicação.

O método SKY MESH, podemos presumir quais os pontos que podem vir a causar falhas de comunicação entre os devices e os repetidores.

Imagem 06 – Sistema SKY MESH.

Referências:
Yokogawa América do Sul – http://www.field-wireless.com/en/
ISA100 – http://www.isa100wci.org/

Por Eduardo Felipo de Moura
Especialista de Aplicações na Yokogawa América do Sul