Redes Wi-Fi na Automação Industrial

Com o crescente uso da TI (Tecnologia da Informação) unida a TO (Tecnologia da Operação), onde chamamos de Convergência Industrial, as Redes de Comunicação Sem Fio também vem ganhando espaço no ambiente industrial de fábrica.

Usaremos o termo TO ao invés de TA (Tecnologia da Automação), que é a própria evolução da tecnologia, que significa TO=TA+MES ou MOM, ou seja, é a união da Automação Industrial com a Gestão Industrial (Sistema de Gerenciamento de Produção ou Operação).

Todos nós conhecemos as Redes Wi-Fi normalmente em nosso dia-a-dia, em nossas casas, em um aeroporto ou shopping, onde conectamos nosso smartphone para acesso a serviços de internet, dado a facilidade de uso e grande padronização da comunicação em geral.

Com a popularização, padronização e novas demandas na indústria, a Rede Wi-Fi, passou também a ser aplicada no chão-de-fábrica, logo temos a intenção neste texto, ainda que de forma simples e rápida, passar uma visão geral de como esta tecnologia vem evoluindo, para isso vamos ver:

• O que é uma Rede Wi-Fi e sua Tecnologia
• Como a Rede Wi-Fi está sendo Aplicada no Chão de Fábrica
• Quais das Diretrizes para PROJETOS e IMPLANTAÇÃO de Redes Wi-Fi na Indústria

Para delimitar nosso tema, vamos analisar esta tecnologia dentro de alguns cenários comuns de aplicação das Redes Wi-Fi:

• Preciso interconectar dispositivos de automação da fábrica para troca de informações e análise de dados
• Como especificar equipamentos Wi-Fi para aplicações no Chão-de-Fábrica, o que devo saber
• Como analisar os Protocolos, Segurança e Disponibilidade na Rede Industrial Wi-Fi

Como dissemos as Redes Sem Fio é a própria evolução tecnológica do meio, agora sendo aplicados no chão-de-fábrica, principalmente quando pensamos na adoção das Redes Ethernet na Automação Industrial, também a evolução de protocolos industriais, desde o advento do sinal analógico 4-20mA.

As Redes Wi-Fi estão posicionadas no mundo das redes WLAN, que são as Wireless Local Area Network, estas redes são projetadas para pequenas áreas, algo em torno de 50 metros na unidade transmissora, fora os arranjos, com um bom tráfego de dados disponível no meio.

As Redes Wi-Fi são fáceis de usar, todavia é importante entender o que se justifica para sua aplicação, podemos abaixo eleger algumas características, que por si só encaixam as aplicações na fábrica:

• Interconexão Ethernet convencional (fiação) quando não é possível
• Segregação de uma rede de comando e controle com uma de informação para gestão
• Facilidade de manutenção e monitoramento (acesso remoto)
• Disponibilidade da informação em múltiplos locais
• Baixo Investimento em Infraestrutura para informações de planta

No uso das Redes Wi-Fi também temos diversos benefícios, podemos listar alguns principais abaixo:

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

Conhecendo estes elementos da rede, podemos então pontuar as principais características das Redes Wi-Fi, lembrando mais uma vez que nosso texto é voltado para aplicação na indústria:

• É uma Rede de Classificação WLAN (Local)
• Wi-Fi é Marca Registrada da Alliance
• Está baseada no Padrão IEEE 802.11
• Protocolos Industriais baseado em Ethernet são Aderentes a Tecnologia

Por princípio de funcionamento da comunicação Wi-Fi, 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 seus protocolos e serviços.

A comunicação das redes Wi-Fi, é padronizada pelo IEEE 802, especificamente pela parte 11, que trata das redes LAN, redes Locais.

O padrão em evoluindo desde sua criação e é identificado por letras após a parte, por exemplo, IEEE 802.11a,b,g.

Normalmente os padrões identificam a frequências de trabalho, a modulação e a velocidade dos dados da tecnologia suportada, já temos cinco gerações de padrões e é constante a evolução, na apresentação mostramos os gráficos e tabelas, onde dispensam nossos comentários textuais.

Para conhecimento a respeito de aplicações industriais, normalmente os padrões de aplicação são (a,b,g,n), vamos descrever o que significa brevemente cada um:

IEEE 802.11a

• Foi definido após os padrões 802.11 e 802.11b
• Chega a alcançar velocidades de 54 Mbps dentro dos padrões da IEEE e de 72 a 108 Mbps por fabricantes não padronizados
• Esta rede opera na frequência de 5,8GHz e inicialmente suporta 64 utilizadores por Ponto de Acesso (PA)
• As suas principais vantagens são a velocidade, a gratuidade da frequência que é usada e a ausência de interferências
• A maior desvantagem é a incompatibilidade com os padrões no que diz respeito a Access Points 802.11 b e g, quanto a clientes, o padrão 802.11a é compatível tanto com 802.11b e 802.11g na maioria dos casos, já se tornando padrão na fabricação

IEEE 802.11b

• Ele alcança uma taxa de transmissão de 11 Mbps padronizada pelo IEEE e uma velocidade de 22 Mbps, oferecida por alguns fabricantes
• Opera na frequência de 2.4GHz. Inicialmente suporta 32 utilizadores por ponto de acesso
• Um ponto negativo neste padrão é a alta interferência tanto na transmissão como na recepção de sinais, porque funcionam a 2,4GHz equivalentes aos telefones móveis, fornos micro ondas e dispositivo Bluetooth
• O aspecto positivo é o baixo preço dos seus dispositivos, a largura de banda gratuita bem como a disponibilidade gratuita em todo mundo.
• O 802.11b é amplamente utilizados por provedores de internet sem fio

IEEE 802.11g

• Baseado na compatibilidade com os dispositivos 802.11b e oferece uma velocidade de até 54 Mbps
• Funciona dentro da frequência de 2,4GHz
• Tem os mesmos inconvenientes do padrão 802.11b (incompatibilidades com dispositivos de diferentes fabricantes)
• As vantagens também são as velocidades
• Usa autenticação WEP estática já aceitando outros tipos de autenticação como WPA (Wireless Protect Access) com criptografia (método de criptografia TKIP e AES)
• Torna-se por vezes difícil de configurar, como Home Gateway devido à sua frequência de rádio e outros sinais que podem interferir na transmissão da rede sem fio

IEEE 802.11n

• O IEEE aprovou oficialmente a versão final do padrão para redes sem fio 802.11n
• Vários produtos 802.11n foram lançados no mercado antes de o padrão IEEE 802.11n ser oficialmente lançado, e estes foram projetados com base em um rascunho (draft) deste padrão
• Tiveram alterações significativas nas 2 camadas de rede (PHY e MAC), permitindo a este padrão chegar até os 600 Mbps, quando operando com 4 antenas no transmissor e no receptor, e utilizando a modulação 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
• As principais especificações técnicas do padrão 802.11n incluem: – Taxas de transferências disponíveis: de 65 Mbps a 450 Mbps
• Método de transmissão: MIMO-OFDM – Faixa de frequência: 2,4GHz e/ou 5GHz

Nas aplicações de Rede Wi-Fi alguns desafios devem ser entendidos para que possa ser mitigada em projetos, através de boas práticas a implantação de dispositivos e acessórios para uma perfeita comunicação, sendo os principais abaixo:

• Entender a propagação do sinal no ambiente
• Que tipos de antenas utilizarem
• Quais são os obstáculos no local
• Onde será aplicação, ambiente interno e/ou externo
• O que se espera da rede e seu desempenho (criticidade)

Podemos observar acima que se não forem dadas devidas atenções a questões de ambiente e obstáculos, a comunicação se tornará instável, sendo que a tecnologia que permite a MODULAÇÃO, das ondas magnéticas é crítica, quanto ao funcionamento do dispositivo Wi-Fi, esta mesma tecnologia também evoluiu e consta no catálogo de aplicações dos equipamentos.

Vamos mostrar abaixo as três principais tecnologias aplicadas para modulação de sinais:

FHSS – Espalhamento Espectral por Salto de Frequências

• Usa uma portadora de banda estreita única
• Transmissor e recepto usam canal único para se conectarem
• Mudam (saltam) a frequência entre si (400ms)
• A comunicação é vista por um invasor como um ruído, dificultando a leitura
• Utiliza toda a banda, perde-se velocidade de transmissão

DSSS – Espalhamento Espectral com Sequenciamento Direto

• Espalha a informação ao longo de sua faixa de frequência
• Usa codificação e decodificação (chipping code), uma função XOR de resultado 0= entrada iguais e 1= entradas diferentes
• Suporta taxa de dados variados;
• Resistentes da multi-rotas e interferências
• Muito sensível a sinais de ruído
• Número limitado de acesso a um mesmo canal

OFDM – Multiplexação por Divisão de Frequência

• Divide o sinal em diversas sub portadoras, cada um possui um trecho de informação
• Utiliza largura de banda maior que as outras
• Usa multiplexação por divisão de frequência
• Elevada eficiência do espectro do campo de comunicação
• Imunidade contra multi-rotas e filtragem de ruído simples
• Dificuldade de sincronismo das portadoras e sensibilidade a desvios de frequência

A tecnologia Dual Band é a capacidade dos dispositivos Wi-Fi trabalharem em frequências distintas, por exemplo, a comunicação está operando em 2,4 GHz, porém começa-se a identificar perda da qualidade do sinal, então o sistema passa a operar, por exemplo, em 5 Ghz, com isso pode-se continuar a comunicação com a mesma qualidade, pode ocorrer o inverso.

Dispositivos que operam em 5 GHz normalmente são Dual Band automáticos.

Os dispositivos que operam em 2,4 GHz operam com 3 canais, enquanto os que operam em 5GHz operam com 23 canais em sobreposição. As frequências de 2,4 GHz chegam com o sinal mais longe, obtendo melhor cobertura.

Quais as principais diferenças do Wi-Fi convencional do Industrial?

Abaixo listamos o que realmente é importante, uma vez que a tecnologia da comunicação é a mesma, todavia aplicações no campo requerem características de equipamentos diferenciados:

• Aplicação em Ambientes Severos (Hardware)
• Temperatura 75º C a -35º C (exemplo)
• Proteção Mecânica Especial
• IP (Grau de Proteção Alto)
• Suportar Vibração e Impacto
• Alta Imunidade a Ruídos (EMI)
• Arranjos de Alta Disponibilidade (Redundâncias)

Os equipamentos que estabelecem comunicação no ambiente Wi-Fi são chamados de AP Access Point, eles tem características de configuração e serviços que permitem uma série de arranjos e funcionalidades.

Abaixo listamos as principais, sugerimos que vejam o vídeo e a apresentação, pois facilitará o entendimento, uma vez que seria desnecessário descrever em texto, onde o vídeo facilita o entendimento.

• AP – Access Point – Ponto do Acesso ao Wi-Fi
• Roteador – Conecta o Ambiente Wireless a Serviços (Ex. Internet)
• AP Client – Ponto que Recebe o Wi-Fi e converte em Cabo RJ
• Gateway – Distribui em Sinais Secundários – Diversos Pontos Wi-Fi
• Repeter – É um repetidor da rede Wi-Fi, amplificando o Sinal
• Bridge – é uma Ponte, passa de uma Entrada para uma Saída de forma Transparente
• WDS – função que coloca um conjunto de AP em uma única rede
• Roaming – Função de conectar um AP de forma móvel em outras conexões
• Mesh – Protocolo que dá capacidade de elaborar arranjos móveis e dinâmicos, onde o módulo AP recebe e transmite sinais.

As Redes Wi-Fi são de fácil detecção no ambiente, logo estão sujeitas a ataques de intrusão ou até mesmo perda de integridade de informação, para isso é importante o entendimento que é necessário uma criptografia e autenticação de dados que trafegam pelo sistema.

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

As tecnologias de segurança para redes Wi-Fi são listadas abaixo, com suas principais características:

WEP – Wired Equivalent Privacy

• 1999
• Primeiro Protocolo de Segurança
• 128 bits
• Não é Considerado Padrão desde 2004
• Fácil de ser Quebrado

WPA – Wi-Fi Protected Access

• 2003
• Evolução do WEP
• 256 bits
• Tinha Compatibilidade com WEP
• Ataques feitos em Sistemas Suplementares

WPA2 – Wi-Fi Protected Access II

• 2006
• Sistema Padrão Atualmente
• Função: AES (Advanced Encryption Standard)
• Função: CCMP (Counter Cipher Mode)
• Necessita Alto Poder Processamento
• Muito Avançado – Alguns Dispositivos não Suportam

Mas, qual arranjo e configuração executar, em face de tantos recursos, a resposta é, quanto mais recursos, melhor e para um entendimento fácil, podemos pontuar das melhores configurações de segurança, até a rede aberta abaixo:

1. WPA 2 com AES habilitado
2. WPA com AES habilitado
3. WPA com AES e TKIP * habilitado
4. WPA apenas com TKIP habilitado
5. WEP
6. Rede aberta

TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) é um método de encriptação. O TKIP disponibiliza uma chave “per-packet” que junta a integridade da messagem e um mecanismo de reenvio de chave.

AES (Advanced Encryption Standard) é um standard autorizado de encriptação forte para Wi-Fi.
WPA-PSK/ WPA2-PSK e TKIP ou AES usam uma “Pre-Shared Key” (PSK) que possui 8 ou mais caracteres de extensão, até um máximo de 63 caracteres.

WPA2-PSK é um dos sistemas recomendados para autenticação de dados e AES é um dos sistemas recomendados para criptografia dos dados.

Quando pensamos em aplicações sem fio, os dispositivos estão conectados trocando informações e serviços entre si através de endereços, normalmente por IP, na camada 3 de dados, é usual e via de regra não há muito problema de perda de conexão.

Mas e quando é necessário fazer a troca de informações pelo Acesso do Meio, na camada 2 no MAC, alguns protocolos industriais trabalham neste formato, por exemplo , PROFINET.

Para isso há um recurso chamado de Coordenação, onde através de funções de sincronismo e coordenada, estabelece-se conexão controlada dos pontos MAC. Existem dois tipos de controle de acesso ao meio e é baseado em funções de coordenação:

DCF – Distributed Coordination Function

• Apresenta dois métodos de acesso
• DCF básico utilizando CSMA/CA – Carrier sense multiple access with collision avoidance – (Tenta Evitar Colisão)
• DCF com extensão RTS/CTS – Request to Send / Clear to Send (Tenta Sincronizar a Rede por um Tempo Conhecido)
• Para aplicações simples

PCF – Point Coordination Function

• Cada estação Cliente possui um Slot Time
• Melhora o Determinismo da Rede
• Não Prioriza Mensagens

Para a implantação de sistemas de Rede Wi-Fi, podemos pontuar algumas boas práticas abaixo, lembrando que é necessário um bom projeto de rede:

• Esteja certo do propósito da rede Wireless Wi-Fi, o que se espera e principalmente porque substituiu o cabo
• Analise o a Visada do Ambiente, se possível contrate um serviço de Site Survey
• Contrate uma empresa especialista para elaborar a especificação de acordo com sua necessidade
• Configure os Client´s e suba os serviços conectados aos AP´s, analise a intensidade e qualidade do sinal
• Implante os periféricos e configure, repetidores, roteadores, teste as desconexões lógicas
• Faça teste de tráfego e broadcast, analise de preferência baseado no protocolo de trabalho
• Faça cenários de desconexão, libere para trabalho

Com a tecnologia de redes evoluindo constantemente, podemos descrever algumas tendências na indústria, que despontam como próximas tecnologias:

• Ampla utilização das redes Wi-Fi para distribuir informação na Planta
• Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para armazenamento e análise de dados da Operação e Manutenção via Wi-Fi
• Convergência das Redes Industriais e Protocolos para Ethernet, facilitando a disseminação da informação via Wi-Fi

Conclusão

Concluímos que as redes Wi-Fi na indústria são a próxima fronteira, uma vez que a ethernet industrial se consolida como padrão, as redes Wi-Fi aderem a tendência da entrega de informações com baixo custo, de forma rápida e segura, atendendo aos requisitos da indústria 4.0.