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REDES WI-FI NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Aplicação das Redes Sem Fio no Chão-de-Fábrica (WIRELESS - Padrão IEEE 802.11)
1 MÁRCIO VENTURELLI
e-Paper
Márcio Venturelli
REDES WI-FI NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Aplicação das Redes Sem Fio no Chão-de-Fábrica
(WIRELESS - Padrão IEEE 802.11)
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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.
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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 o 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;
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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;
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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
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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.
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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.
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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.
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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;
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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);
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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.
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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
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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 (abreviatura para 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.
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AES (abreviatura para 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 ou Função de
Coordenação Distribuída
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PCF - Point Coordination Function ou Função de
Coordenação Pontual
DCF - 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;
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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.
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.
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SOBRE O AUTOR
• Márcio Venturelli trabalha no Mercado de Automação Industrial há 20 anos, tendo trabalhado em departamentos, tais como, Assistência Técnica, Treinamentos, Engenharia e Negócios.
• Trabalhou em diversos Projetos de Implantação de Sistemas e Automação e Controle Operacional de Plantas de Bioenergia, Transformação e Manufatura, no Brasil e no Exterior.
• Atualmente trabalha em Desenvolvimento de Mercados e Tecnologias para o Setor Sucroenergético e Bioenergia, com foco em Arquitetura de Soluções de Conectividade e Redes Industriais, tendo como Principal Diretriz a Geração de Valor para o Cliente, nas Dimensões: Aumento da Produção, Redução de Custos e Elevação da Segurança Funcional, em Soluções que sejam aderentes à Indústria 4.0.
• Professor Universitário de Pós-Graduação de
Automação Industrial e Gerenciamento de Projetos.
• Membro Sênior da ISA (Sociedade Internacional
de Automação), Diretor de Tecnologia da ISA Distrito 4 (América do Sul) e Diretor de Tecnologia Safety Bus da PI (Profibus/Profinet Internacional).
• Graduado em Ciência da Computação, com
Especialização em Controle e Automação Industrial, Pós-Graduado em Gestão Industrial, Pós-Graduado em Tecnologia do Petróleo e Gás e Possui MBA em Estratégia de Negócios. Técnico nas Áreas de Eletrônica e Eletrotécnica.
ATUALIZADO AGO/2016