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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

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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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2 MÁRCIO VENTURELLI

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