ISA100 e WirelessHART: Aplicações na Instrumentação e Controle de Processos Industriais

Este artigo e apresentação têm como principal objetivo demostrar de forma simplificada e rápida a utilização da tecnologia ISA100 e WirelessHART nas aplicações de instrumentação e controle de processos industriais. Este texto não tem a intenção em nenhum momento de descrever detalhes técnicos de funcionamento do protocolo e norma, muito menos de polarizar e formar opinião entre as diferenças de tecnologia, mesmo porque o usuário final é quem “manda”, portanto escolhe o que quer.

Nossa intenção com este trabalho é somar a tantos textos de excelente qualidade que há disponível, tanto em termos tecnológicos quanto de aplicações, os fabricantes de diversos equipamentos desta linha ofertam aos usuários amplo conhecimento da aplicação, seus benefícios e peculiaridades de cada solução.

Como estamos falando duas tecnologias distintas, porém com objetivos únicos, comunicação de instrumentos na indústria, procuramos aqui, tangenciar elementos comuns da aplicação, sendo a escolha de um ou outro, ficando a cargo de cada usuário.

Observamos em diversas pesquisas que muitos usuários, estudantes e engenheiros de aplicações têm dificuldades de uma visão geral da tecnologia e ter um norte de estudo para iniciar conceitos sobre uma demanda na solução na indústria e nossa intenção e preencher de forma simples esta lacuna.

Em nenhum momento queremos esgotar o assunto, o modelo de nossas apresentações e textos são sucintos e práticos, desde já sugerimos complementações em pesquisas sobre os termos aqui explicitados.

Para orientar nosso texto, vamos falar sobre algumas questões comuns nas aplicações Wireless, lembrando que o nível de aplicação está na instrumentação do processo:

• Quais justificativas para utilização de Wireless na Indústria
• Quais benefícios na utilização de Wireless na Indústria
• Quais tecnologias estão no mercado e suas aplicações práticas

A fim de limitar o escopo de aplicação da tecnologia sem fio, mostramos abaixo os principais cenários e aplicações comuns na indústria destes tipos de soluções:

• Necessito fazer uma medição de temperatura em um local onde a máquina é rotativa e se desloca, não há como cabear a instrumentação, além de ser um ambiente agressivo;
• Preciso aquisitar dados de diversos pontos do processo de difícil acesso, com objetivo de gerenciar o ativo da planta;
• Desenvolver um controle de nível de baixa criticidade, substituindo uma operação manual remota, apenas colocando medição e atuador Wireless.

Afinal, o que a tecnologia wireless na instrumentação e controle?

É importante entender o seu conceito principal quanto à aplicação:

• Instrumentação Wireless é a tecnologia de medição e controle (sem criticidade) sem utilização fios no processo industrial;
• Ela não substitui a convencional, esta tecnologia complementa suas aplicações, antes não possível;
• A implantação é rápida, segura e eficaz, já obtendo benefícios imediatos pós-investimento.

Por conceito o funcionamento da comunicação Wireless é através da propagação das ondas eletromagnéticas, há um arranjo eletrônico nos dispositivos, onde as informações são trocadas através das antenas dos equipamentos, por esta propagação eletromagnética, originada pela onda elétrica (movimento dos elétrons), trafegam informações devidamente codificadas e interpretadas entre os dispositivos, formando a rede de comunicação, através de um protocolo.

A história das telecomunicações se inicia na descoberta da indução eletromagnética por Michael Faraday (1831), percorrendo um longo caminho através do tempo, com diversas pesquisas e evolução tecnológica.

Em 2004 temos a versão do WirelessHART, onde o protocolo HART, já existia, passando a interconectar instrumentos de forma sem fios e, em 2009, a ISA, lança a primeira versão do norma ISA 100.11a, que tem os mesmos objetivos básicos, fazer instrumentação e controle de processos industriais sem fio.

Com esta evolução, seguimos mais um passo tecnológico pós-redes industriais nos barramentos de campo, pois agora utilizamos o meio sem fio com protocolos industriais padrão e aberto, iniciando uma nova fase evolutiva na automação industrial.

Benefícios no uso da tecnologia Wireless

Podemos justificar as aplicações Wireless na indústria da seguinte forma, isto é, onde podemos aplicar de forma a obter benefícios:

• Instrumentação convencional (fiação) não é possível
• Viabilidade de medição pela quantidade de instrumentos (função)
• Facilidade de manutenção e monitoramento (acesso)
• Disponibilidade da informação em múltiplos locais
• Interconexão a longa distância

Apresemos abaixo alguns dos principais benefícios no uso da tecnologia Wireless:

• Aplicações Especiais
• Mobilidade
• Alcance
• Flexibilidade
• Confiabilidade
• Implantação Rápida
• Custo de Manutenção
• Imunidade a Ruído
• Custo Projeto / Instalação (viabilidade)
• Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança

Dentro das aplicações Wireless há enquadramentos quanto a abrangência, tanto de distâncias quanto de pacote de dados, em nosso caso, para ISA 100 e WirelessHART, vamos nos enquadrar na IEEE 802.15, que é a norma que trata das redes WPAN, que são redes locais, onde o protocolo e a norma se encaixam.

As características básicas de uma rede Wireless de instrumentação e controle de processo são:

• Instrumentos de medição
• Adaptadores de instrumentos com fio
• Repetidores de comunicação na rede
• Gateway de dados
• Controlador PLC/DCS
• Estação de Engenharia

O que é a ISA100?

A ISA 100 é uma norma, onde define aplicações desde o nível sensor, que é a instrumentação que é nosso objetivo do texto, até comunicações em backbone, isto é, esta norma tem uma abrangência além da instrumentação do campo, por isso temos suas divisões. A ISA 100.11a, define os padrões para sensores de rede, a instrumentação de medição do processo e a ISA 100.15, define padrões para comunicação Wi-Fi e 3G, por exemplo, é o que se chama de backhaul, que nada mais é do que a integração de diversos níveis, por gateways multiprotocolos na rede.

Nosso principal objetivo é comentar sobre a ISA100.11a , pois trata dos instrumentos no campo, aplicações equivalentes ao WirelessHART.

A ISA 100 define os limites de aplicações para instrumentação e controle de campo através de classes, são 5 classes, onde das classes 2 a 5 pode-se aplicar a tecnologia Wireless de forma satisfatória, atendendo requisitos, logo há restrições quanto a classe 0, que são ações de emergência e classe 1, que é controle regulatório, malha crítica.

Há na ISA 100.11a, a característica da interoperabilidade entre redes, isto é, podemos ter diversos protocolos, FF, Profibus PA, por exemplo, comunicando pelo mesmo backbone, os gateways interpretam as informações e na ponta temos de forma transparente os dados dos instrumentos na rede.

O padrão ISA 100 tem a característica de trabalhar com diversos protocolos, utilizando gateways universais.

O padrão ISA 100.15 tem o principal objetivo de criar um “túnel” de diversos protocolos e redes sem fio, podendo inclusive comunicar em níveis diferentes, a principal ideia é poder convergir os sistemas de comunicação da planta.

WirelessHART e ISA100

As redes WirelessHART seguem as mesma ideia do ISA 100.11a, o que é mais importante entender é que o protocolo é o HART, já conhecimento e amadurecido no mercado, muito conhecido no meio dos instrumentos com fio, agora comunicando de forma sem fio.

Algumas características do WirelessHART:

• Taxa de comunicação de 250 Kb/s em 2.4 GHz
• 16 Canais de Rádio
• Modulação Digital baseada em DSSS
• Operação Ponto-a-Ponto para permitir a formação de rede Mesh
• “Ouvir antes de Falar” para acesso ao canal (CSMA-CA )
• Endereçamento dinâmico e flexível dos devices
• Protocolo amigável para confiabilidade na transferência
• Baixo consumo de energia

Comparações entre WirelessHART e ISA 100.11a, são comuns, todavia é sempre importante se ater a aplicação, isto é, a necessidade e a solução de sua demanda, todas as tecnologias tem suas característica, observe o quadro da apresentação.

Outra discussão comum é quanto ao controle, se é possível e prudente efetuar controle com redes Wireless, já apresentamos anteriormente esta questão dentro das classes que a própria ISA 100 define, todavia podemos afirmar que é totalmente possível sim efetuar controles, sempre observando criticidade e segurança.

Muitas aplicações de controle Wireless comum são substituições de comandos em campo manuais, por exemplo, de abertura e fechamento de válvulas e desligamentos de segurança de processo, não críticos, eliminando operações manuais, inclusive elevando o padrão de segurança do processo.

O gerenciamento de ativos já é comum e de grande destaque no uso de protocolos industriais e com as redes Wireless, potencializa sua aplicação.

Em muitos casos não há automação para obtenção de informações na rede de controle para fazer a gestão dos ativos, a rede Wireless passa a ser uma opção de aplicação rápida e consistente para levar informações do campo para a manutenção e operação, ganhando em informações preditivas dos equipamentos e processos.

Segurança da rede Wireless

A questão da segurança também remete a muitas preocupações, pois é uma rede que está “aberta”, todavia há nos protocolos a tecnologia capaz de gerenciar as informações que trafegam por esta rede.

De acordo com a segurança da rede industrial, existem três aspectos que devem ser considerados: confidencialidade, integridade e disponibilidade.

• Confidencialidade: Garantia da informação somente para usuário autorizado
• Integridade: Informação somente pode ser modificada por usuário autorizado
• Disponibilidade: Acesso permanente as informação pelos usuários autorizados

A montagem de uma rede sem fio é simples no entendimento da conexão mecânica, uma vez que não há cabeamento, logo a questão da topologia está ligada ao conexão lógica da rede, isto é, ao seu arranjo que é efetuado no comissionamento e configuração do sistema de comunicação.

As redes WirelessHART e ISA100 permitem alguns arranjos de topologia, normalmente Mesh e Estrela, para esta definição há de considerar variáveis de instalação, bloqueios físicos, limitações de visada, quantidade de instrumentos, distâncias  de comunicação, entre outros, pois a principal variável é a atenuação do sinal, onde no resultado final deve haver uma boa qualidade dos sinais se intercomunicando.

Dicas para a implantação de uma rede Wireless

A implantação de uma rede Wireless exige um bom planejamento e projeto, passamos abaixo algumas dicas importantes, não é um roteiro e não abrange todo um projeto, mas são informações que devem ser levadas em consideração:

• Planeje o projeto, tenha uma visão clara do objetivo de sua rede
• Discuta com seu fornecedor a melhor tecnologia a ser aplicada em sua planta, há muitas soluções
• Se necessário contrate um serviço de Site Survey, que é o projeto da rede Wireless com todos os detalhes  de sinais, visadas, repetidores, entre outros
• Planifique os instrumentos e o Gateway, lembre-se que os instrumentos transmitirão informações e também funcionarão como repetidores
• Analise as visadas da planta, pelo menos 25% dos instrumentos devem ter conexão direta com o Gateway, caso não ocorra utilize repetidores
• Cada instrumento deve se comunicar com no mínimo 3 vizinhos e o Gateway com 5 instrumentos (redes grandes)
• Verifique se precisam acoplar outros protocolos ou instrumentos com fio, use os conversores Wireless
• Configure as taxas de atualização, lembre-se que a durabilidade da bateria depende desta configuração
• Após comissionamento aguarde 4 horas e analise as interconexões dos instrumentos, se está minimamente em quantidade de acoplamentos e qualidade de sinais

Outros pontos a considerar:

• Área Classificada: As soluções Wireless são aplicadas em áreas Ex, analise das instalações do Gateway na planta
• Baterias: O que define sua vida útil é principalmente as taxas de atualização, planeje otimamente o uso da informação
• Controle e Criticidade: Informações para controle de processos e informações críticas devem ser analisadas se podem ser colocada em Wireless, normalmente não se aplicam, todavia um estudo de impactos é necessário.

Podemos comentar sobre algumas tendências em redes Wireless em função das tecnologias atuais e sinais de evolução tecnológicas atuais:

• Ampla utilização das redes Wireless para Instrumentação, com objetivo de Gerenciamento de Ativos On-Line;
• Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para armazenamento e análise de dados da Operação e Manutenção;
• Convergência de Protocolos e Camadas de informações, horizontalizando as informações para a Indústria 4.0.

Conclusão

Concluímos que as redes sem fio para aplicação industrial estão em crescimento, para instrumentação e controle é um grande avanço, complementando soluções antes não possíveis. Somado ao fato que o aumento das informações de planta permitem soluções que remetem ao conceito da Indústria 4.0.