OS BENEFÍCIOS E VANTAGENS DO PROTOCOLO WIRELESS ISA100
A instrumentação wireless vem causando grande entusiasmo no cenário industrial. Um mundo novo cheio de oportunidades e possibilidades, inovação na forma de monitorar e controlar variáveis.
A flexibilidade das soluções wireless permitem grande redução nos investimentos em infraestruturas (CAPEX), permitindo medições onde anteriormente eram muito difíceis ou de elevado custo para a implementação.
Com um mecanismo robusto, o protocolo ISA100.11a oferece segurança contínua para as várias operações do sistema (qual sistema?). A grande fusão da solução wireless ISA100.11a com a solução com fio, permite abrir o caminho para uma outra evolução no campo digital, o “VigilantPlant (conceito da planta ideal)“.
O PROTOCOLO ISA100
Fundada em 1945, a Sociedade Internacional de Automação (ISA) é uma organização global sem fins lucrativos. A ISA desenvolve normas, certifica profissionais, oferece educação e treinamento, publica livros e artigos técnicos, etc.
Em 2005, a ISA criou o comitê ISA100, para estabelecer normas, práticas, relatórios técnicos e informações relacionadas que irão definir tecnologias e procedimentos para a implementação de sistemas sem fio, no ambiente de automação e controle com foco a nível de campo.
Este comitê desenvolveu classificações para os sistemas wireless, conforme abaixo:
| Segurança | Classe 0: Ação de Emergência (Sistema de proteção instrumentado) |
| Controle | Classe 1: Controle Regulatório de malha fechada (Loop de controle regular crítico) Classe 2: Controle Supervisório de malha fechada (Set point manipulado para otimização, etc…) Classe 3: Controle de malha aberta (Manual/Ações Humanas quando ocorre o alerta) |
| Monitoração | Classe 4: Alarmes (Notificações de alarmes / advertência, baixas consequências) Classe 5: Registro de dados (Sem consequências imediatas para operação) |
Hoje, o sistema wireless atendem todas as classes informadas acima. A solução Wireless se destina a monitoração, controle e segurança.
SEGURANÇA
A instrumentação wireless possui como característica nativa a segurança de rede, baseada nas mesmas bases utilizadas por bancos e outras instituições, uma vez que dados industriais cada vez mais sigilosos estão percorrendo as redes de comunicação, seja entre planta e sala de controle ou entre unidades.
As comunicações ocorrem de forma criptografada, onde somente dispostos previamente provisionados terão acesso as informações. Sniffers de rede não saberão quais informações estão sendo transmitidas, pois o sistema trabalha com modulação frequência e tempo, assim em um ciclo de atualização, muitas informações serão trocadas de forma aleatória entre os gerenciadores, e somente eles saberão o que significa.
O protocolo ISA100 utiliza o sistema AES (Advanced Encryption Standard) para criptografia e verificação de integridade. Esse sistema não é somente utilizado em redes wireless, mas também universalmente em troca de dados. O AES é usado para obter informações on-line das instituições financeiras, como bancos e sites de comércio eletrônico.
O AES é o primeiro sistema de cifragem publicamente acessível e aberto, aprovado pela Agência de Segurança Nacional (NSA), para informações secretas.
TOPOLOGIAS
Com a combinação de todos os benefícios das topologias MESH e ESTRELA, foi desenvolvida a topologia SKY MESH.
Essa topologia reduz a complexidade de instalação, aumentando a confiabilidade da rota aonde a comunicação irá “trafegar” e também sua disponibilidade.
Desta forma, o usuário pode determinar onde os repetidores deverão ser instalados – geralmente nos pontos mais altos da planta – e ao invés dos devices de campo concorrerem com os “pipe jungles”, eles enviam essa informação para cima (repetidores) e assim o caminho está limpo até a sala de controle.
FIG.1 – Exemplo de comunicação em topologia SKY MESH
DISTÂNCIAS DE COMUNICAÇÃO
Com uma combinação de antenas de alto ganho e múltiplos saltos, é possível cobrir área de até 6km (utilizando 4 saltos) e até 1,5km (utilizando topologia MESH).
As comunicações entre antenas no protocolo ISA100 são de até 600 mts com antenas de 2dbi. Estas comunicações ocorrem sem interferências do clima e outras atividades externas.
Dependendo de cada aplicação pode-se obter cobertura em até 15km, com antenas de 15dbi.
Na figura abaixo, pode-se visualizar as diferentes distâncias de cobertura com uso da tecnologia Wireless.
FIG.2 – Área de convergência
FIG.3 – Distâncias de Cobertura
INTEROPERABILIDADE
Umas das prerrogativas da norma, é a utilização de um protocolo aberto, onde todos fabricantes poderiam coexistir e trocar informações, entregando ao usuário final interoperabilidade e flexibilidade na hora da escolha do fornecedor.
Atendendo os requisitos da norma, todos fabricantes podem desenvolver produtos que utilizem o padrão ISA100.11a
A WCI é a instituição oficial para garantir que os requisitos da norma são plenamente atendidos. Garantindo a interoperabilidade entre fabricantes de produtos.
FIG.4 – Interoperabilidade entre instrumentos
FIG.5 – Interoperabilidade
MANUTENÇÃO
Uma das questões que envolvem instrumentos Wireless é a troca de baterias. Apesar de possuírem longa vida (anos), e preciso prever a substituições. Quando o sistema verifica o decaimento da bateria ele fornece ao usuário informações de duração desta bateria em dias. No momento da troca, o usuário deverá apenas substituir a célula por células de mercado (é esperado que este conjunto seja certificado para substituição em área classificada, evitando a remoção completa do instrumento ara substituição de baterias).
As baterias duram até 10 anos com taxa de atualização de 3 até 10 segundos, para transmissores de temperatura.
Os instrumentos permitem que as baterias sejam trocadas no campo, mesmo em áreas Ex, pois as pilhas ficam instaladas em invólucros próprios, conforme imagem abaixo:
FIG.6 – Case de baterias
FIG.7 – Duração das baterias
REDUNDÂNCIA E CONFIABILIDADE
Como resultado da avaliação em longo prazo de muitas tecnologias sem fio de campo industrial e normas, a confiabilidade da camada física de rádio é crucial para a estabilidade de todo o sistema wirelessIsso é chamado de “Reliable Radio”, efeitos em laboratórios e no campo foram avaliados.
FIG.8 – Topologia Redundante
INSTRUMENTOS
Cada fabricante oferece ao mercado instrumentos conforme sua especialidade, assim o usuário terá um portfólio completo de soluções como:
– Transmissores de pressão, temperatura, vazão, PH, condutividade, vibração, purgadores, detecção de gases…
– Estação de gerenciamento (Gateway) YFGW410
Este equipamento tem a função de gestor do sistema, gerenciador de segurança. Alta confiabilidade e Flexibilidade: Permite a adoção de uma arquitetura redundante, possibilitando mais segurança ao processo, bem como a manutenção sem que a rede de comunicação seja desconectada.
A gateway recebe informações dos access point e converte esses valores para os protocolos MODBUS RTU/TCP ou OPC.
– Ponto de acesso wireless (Access Point) YFGW510
Este produto tem a função de backbone e combinado com o modelo YFGW410 compõe o sistema de gerenciamento de uma rede wireless.
Possui a função DUOCAST*, onde dois access point em redundância podem receber simultaneamente as informações de um único device de campo, aumentando a confiabilidade da comunicação wireless.
– Transmissores de Pressão EJX
Os transmissores de pressão entregam ao mercado a mesma tecnologia encontrada em sensores tradicionais com fio, exemplos são os sensores com tecnologia do silício ressonante para medições de líquidos, gás, vazão de vapor, bem como nível de líquidos, densidade e pressão. Estes transmissores não enviam apenas as variáveis do processo, mas enviam também os parâmetros de configuração usando o sinal wireless.
– Transmissores de temperatura YTA
O transmissor de temperatura , combinados a termopares, RTD, ohms ou milivolts, possuem funções de indicação simples e redundância, entregando ao usuário final grande flexibilidade na monitoração de grandezas térmicas. Estes transmissores também enviam os parâmetros de configuração usando o sinal wireless.
– Transmissores multiponto
O transmissor multiponto é perfeito para aplicações onde o usuário precisa transmitir por meio Wireless diversas variáveis analógicas. Com a capacidade de medir até 8 entradas e atualizações de 2 a 3 segundos, essa solução se mostra flexível e de baixo custo, uma vez que se elimina completamente a infraestrutura necessária para o trafego de variáveis de até 8 instrumentos.
Permite a leitura das variáveis mais comuns em um processo, como: TC, RTD, ohms, mA, V, corrente, etc.
ADAPTADORES
Estes são capazes de converter um protocolo conhecido no protocolo ISA100 (wireless). Pode-se utilizar adaptadores em transmissores HART convencionais. O adaptador lê as variáveis do HART 5/7 e envia para a gateway de gerenciamento via protocolo ISA100.
Um diferencial deste adaptador é que o instrumento HART não necessita de alimentação externa, pois a própria bateria do adaptador alimenta o transmissor convencional.
Este adaptador também lê MODBUS, 4~20mA, entradas e saídas digitais.
Estes adaptadores em suma, possuem a capacidade de transformar qualquer instrumento tradicional (com fios) em Wireless. Um exemplo de aplicação é a medição de nível, onde patos de tanques podem enviar as variáveis diretamente a sala de controle, bastando para isso o uso de um radar acoplado a um adaptador. Não será necessário nenhum cabo, painel campo, caixa de junção, cartões de entrada analógica…
O Conceito de “Wireless Anywhere”
Seguindo com o conceito de desenvolvimento da tecnologia ISA100.11ª, e buscando entregar ao usuário um portfólio completo de soluções, foram criadas 3 iniciativas.
1 – Aceleração do desenvolvimento de componentes sem fio
Desenvolvimento de componentes sem fio modulares que incorporam as diversas tecnologias em seus dispositivos wireless. Isto permitirá aos fabricantes que incorporem a tecnologia ISA100 em seus novos produtos.
2 – Promover a adoção do padrão ISA100.11a
Trabalhar com os membros do comitê (ISA100WCI) para aumentar o número de empresas associadas e promover a aceitação do protocolo ISA100.
3 – Facilitar a conectividade entre as redes com fio e sem fio
Incentivar a utilização no campo de sistemas sem fio para as aplicações de monitoramento e controle. Assim devemos procurar a melhor eficácia das redes digitais em toda a planta, tornando possível que os sistemas sem fio e com fio se conectem aos sistemas de monitoramento e controle.
Isso exigirá o desenvolvimento de tecnologias que garantam sistemas host de se conectarem aos dispositivos de campo, independentemente de seu protocolo.
Referências:
Yokogawa – http://www.field-wireless.com/en/
ISA100 – http://www.isa100wci.org/
Por Eduardo Felipo de Moura
Especialista de Aplicações na Yokogawa América do Sul
e Cassius Magdo de Barro
Supervisor Eng. De Aplicações na Yokogawa América do Sul
