WirelessHART e o modelo OSI

 

Introdução

A necessidade de automação na indústria e nos mais diversos segmentos está associada, entre diversos aspectos, às possibilidades de aumentar a velocidade de processamento das informações, uma vez que as operações estão cada vez mais complexas e variáveis, necessitando de um grande número de controles e mecanismos de regulação para permitir decisões mais ágeis e, portanto, aumentar os níveis de produtividade e eficiência do processo produtivo dentro das premissas da excelência operacional.

Vale lembrar que o uso de protocolos de comunicação na automação industrial tem alta demanda de confiabilidade e robustez.

A solução completa deve prover uma metodologia de gestão da indústria de forma transparente e garantir que todos os esforços sejam direcionados para se atingir a meta estabelecida, facilitando a tomada de decisão quando há mudanças relevantes ao desempenho dos indicadores ou um desvio em relação ao planejado.

Usuários e clientes então devem estar atentos na escolha e definição de um sistema de automação e controle, onde esta definição deve levar em conta vários critérios e que possa estar em sincronismo com o avanço tecnológico.

Quanto mais informação, melhor uma planta pode ser operada e sendo assim, mais produtos pode gerar e mais lucrativa pode ser. A informação digital e os sistemas verdadeiramente abertos permitem que se colete informações dos mais diversos tipos e finalidades de uma planta, de uma forma interoperável e como ninguém jamais imaginou e neste sentido, com a tecnologia Fieldbus (Foundation fieldbus, PROFIBUS, HART (WirelessHARTTM), DeviceNet, Asi, etc) pode-se transformar preciosos bits e bytes em um relacionamento lucrativo e obter também um ganho qualitativo do sistema como um todo. Não basta apenas pensar em barramento de campo, deve-se estar atento aos benefícios gerais que um sistema de automação e controle possa proporcionar.

A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação está revelando um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos.

A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação alterando hierarquias e estruturas nos mais diversos ambientes industriais assim como setores, desde as indústrias de processo e manufatura. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.

Nesta série de artigos falaremos sobre WirelessHARTTM.

A evolução do protocolo HART

O protocolo HART possui uma grande base instalada com mais de 25 milhões de equipamentos. Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil calibração, ajustes de range e damping de equipamentos analógicos.

Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle. Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de aplicações, em vários segmentos, mesmo em ambientes perigosos. O HART permite o uso de mestres: um console de engenharia na sala de controle e um segundo mestre no campo, por exemplo, um laptop ou um programador de mão. Em termos de performance, podemos citar como características do HART:

  • Comprovado na prática, projeto simples, fácil operação e manutenção.
  • Compatível com a instrumentação analógica;
  • Sinal analógico e comunicação digital;
  • Opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop;
  • Flexível acesso de dados usando-se até dois mestres;
  • Suporta equipamentos multivariáveis;
  • 500ms de tempo de resposta (com até duas transações);
  • Totalmente aberto com vários fornecedores;
  • Na versão HART 7 inclui várias características para melhoria de performance,diagnósticos e manutenção e ainda :
    • Rede wireless mesh e star
    • Sincronização de tempo e time stamping
    • PV trending
    • Pusblish/subscribe (burst mode)
    • Adicionado a camada de transporte
    • Adicionado a camada de rede
    • Adicionado a transferência rápida, segurança, encriptografia/decodificação.

Figura 1 – Evolução do protocolo HART
Figura 1 – Evolução do protocolo HART

Vimos no artigo anterior sobre WirelessHARTTM (http://www.smar.com/newsletter/marketing/index98.html) um pouco sobre os benefícios desta tecnologia e seus elementos de rede. Este é o segundo artigo sobre WirelessHARTTM. Teremos uma série de artigos sobre esta tecnologia, mostrando em detalhes o protocolo, seus mecanismos e vantagens; acompanhem.
 

Redes Sem Fio

Nos últimos anos, a tecnologia de redes sem fio vem sofrendo grandes avanços tecnológicos, o que hoje pode proporcionar: segurança, confiabilidade, estabilidade, auto-organização (mesh), baixo consumo, sistemas de gerenciamento de potência e baterias de longa vida.

Em termos de benefícios podemos citar, entre outros:

  • a redução de custos e simplificação das instalações
  • a redução de custos de manutenção, pela simplicidade das instalações
  • monitoração em locais de difícil acesso ou expostos a situações de riscos
  • escalabilidade
  • integridade física das instalações com uma menor probabilidade a danos mecânicos e elétricos (rompimentos de cabos, curto circuitos no barramento, ataques químicos, etc)

Hoje no mercado vemos várias redes proprietárias e também algumas padronizadas. Existem muitos protocolos relacionados com as camadas superiores da tecnologia (ZigBee, WirelessHARTTM, ISA SP100) e o protocolo IEEE 802.15.4 (2006) para as camadas inferiores. O protocolo IEEE 802.15.4 define as características da camada física e do controle de acesso ao meio para as LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network).

Figura 2 – IEEE 802.15.4 Projeção 2012 Market Share
Figura 2 – IEEE 802.15.4 Projeção 2012 Market Share

A padronização para redes sem fio mostra que, ainda que existam diferenças, as normas estão convergindo para a SP100 e WirelessHARTTM, da ISA e HCF(HART Foundation e que hoje vem sendo adotado como padrão para a Foundation Fieldbus e PROFIBUS) respectivamente. Vamos comentar um pouco sobre o WirelessHARTTM.
WirelessHARTTM

A estrutura de uma rede WirelessHARTTM está representada no diagrama da figura 3. Basicamente uma rede WirelessHARTTM inclui:

  • Equipamentos de campo para aquisição e atuação
  • Roteadores
  • Adaptadores que acoplados a equipados com fio permitem a comunicação wireless
  • Hand-helds para configuração
  • Access points para conectar devices ao gateway
  • Gateways (simples ou redundantes) que funcionam como bridges para o Host
  • Network manager (simples ou redundantes) que podem residir no gateway.
  • Security Manager que confere segurança, chaves e encriptação de dados

A figura 4 mostra uma rede WirelessHARTTM com o DF100, Controlador HSE- WirelessHARTTM. 
Opera na freqüência de 2.4 GHz ISM usando o Time Division Multple Access (TDMA) para sincronizar a comunicação entre os vários equipamentos da rede. Toda a comunicação é realizada dentro de um slot de tempo de 10ms. Slots de tempo formam um superframe.

O WirelessHARTTM suporta chaveamento de canais (channel hopping, figura 6) a fim de evitar interferências e reduzir os efeitos de esvanecimento multi-percurso (multi-path fadings).O protocolo HART foi elaborado com base na camada 7 do protocolo OSI (veja figura 5).

Com a introdução da tecnologia sem fio ao HART tem-se duas novas camadas de Data Link: token-passing e TDMA. Ambas suportam a camada de aplicação HART

Figura 3 – Estrutura de uma rede WirelessHARTTM
Figura 3 – Estrutura de uma rede WirelessHARTTM

 

Figura 4 - Sistema Wireless com o DF100 (Controlador HSE- WirelessHARTTM
Figura 4 - Sistema Wireless com o DF100 (Controlador HSE- WirelessHARTTM

A figura 5 ilustra a arquitetura do WirelessHARTTM de acordo com o modelo OSI. O stack do WirelessHARTTM possui 5 camadas(layers): physical layer, data link layer, network layer, transport layer e application layer. Além disso, o network manager central é responsável por todo roteamento e scheduling da rede.

Physical layer

O WirelessHARTTM adota uma arquitetura utilizando o meio físico em uma rede “Mesh” baseada no IEEE 802.15.4 operando na faixa de 2,4 GHz. Os rádios utilizam o método de DSSS (espalhamento espectral com seqüenciamento direto) ou salto de canais FHSS (Spread Spectrum de salto de freqüências) para uma comunicação segura e confiável assim como comunicação sincronizada entre os dispositivos da rede utilizando TDMA (Time Division Multiple Acess). Os canais são numerados de 11 a 26 com Gap de freqüência de 5 MHz entre dois canais adjacentes.

Figura 5 – HART – Modelo OSI

Figura 5 – HART – Modelo OSI

Figura 6– Channel hopping
Figura 6– Channel hopping

Data Link layer

Uma das características do WirelessHARTTM é a sincronização da comunicação no data link layer. Opera na freqüência de 2.4 GHz ISM usando o Time Division Multple Access (TDMA) para sincronizar a comunicação entre os vários equipamentos da rede. Toda a comunicação é realizada dentro de um slot de tempo de 10ms. Slots de tempo formam um superframe.

O WirelessHARTTM suporta chaveamento de canais (channel hopping) a fim de evitar interferências e reduzir os efeitos de esvanecimento multi-percurso (multi-path fadings). Canais onde existem interferências são colocados numa lista negra (Black List). Cada device wireless possui uma tabela de canais ativos e tem pelo menos 16 entradas. Para um determinado slot (figura 8) e offset de canal (que provê o canal lógico a ser usado em uma transação), o canal atual é dado pela fórmula:

CanalAtual = (Offset de canal + ASN) % NumChannels, onde ASN é o número absoluto do slot.

O canal atual é usado como um índex em uma tabela de canais ativos para que seja obtido o canal físico. Uma vez que o ASN é aumentando constantemente, o mesmo offset de canal pode ser mapeado em diferentes slots de tempo e desta forma aumenta-se a diversidade e confiabilidade da comunicação.
A figura 7 mostra a arquitetura do Data Link Layer do WirelessHARTTM.

 

Figura 7 - Arquitetura do Data Link Layer do WirelessHARTTM
Figura 7 - Arquitetura do Data Link Layer do WirelessHARTTM

Figura 8 – Slot Timing do WirelessHARTTM
Figura 8 – Slot Timing do WirelessHARTTM

Network layer e Transport layer

Estas duas camadas contribuem para a segurança e confiabilidade da comunicação. A figura 9 mostra a arquitetura do network layer do WirelessHARTTM.

Figura 9 - Arquitetura do network layer do WirelessHARTTM
Figura 9 - Arquitetura do network layer do WirelessHARTTM

 

Figura 10 – Estrutura NPDU do WirelessHART
Figura 10 – Estrutura NPDU do WirelessHART

 

Para suportar a tecnologia de rede mesh cada equipamento WirelessHARTTM deve ser capaz de transmitir
pacotes “em nome” de outros dispositivos. Há trê modelos de roteamentos definidos:

  • Graph Routing: Um grafo é uma coleção de caminhos que permitem a conexão dos nós da rede.Os caminhos de cada grafo são criados pelo network manager e enviado para cada dispositivo da rede.Assim sendo, para enviar um pacote de dados, o dispositivo de origem escreve um ID de um grafo específico (determinado pelo destino) no cabeçalho da rede. Todos os dispositivos de rede no caminho para o destino deve ser pré-configurado com informações do grafo que especifica os vizinhos para que o pacote de daods possa ser enviados.
  • Sourcing Routing: este tipo de roteamento é um complemento do Graph Routing, visando diagnósticos de rede. Para enviar um pacote de dados ao seu destino, o dispositivo inclui no cabeçalho uma lista ordenada de dispositivos através de qual o pacote deve percorrer. Como o pacote é roteado, cada dispositivo do roteamento utilizará o endereço do próximo dispositivo de rede para determinar o próximo salto até que o dispositivo de destino seja alcançado.
  • Superframe Routing: é um tipo especial de Graph Routing, onde os pacotes são atribuidos a um superframe.

 

Figura 11 – Estrutura TPDU do WirelessHART
Figura 11 – Estrutura TPDU do WirelessHART

Application Layer

A camada de aplicação é a camada mais alta no WirelessHARTTM. Ela define os comandos de diferentes dispositivos, as respostas, tipos de dados e relatórios de status. No WirelessHARTTM, a comunicação entre os dispositivos e gateways baseia-se em comandos e respostas. A camada de aplicação é responsável por analisar o conteúdo da mensagem, extrair o número do comando, executar o comando especificado, gerando respostas.Esta camada usa a camada de aplicação padrão do HART que é baseada em comandos, onde temos: universais, práticos comuns, específicos e os comandos wireless que foram definidos para atender esta tecnologia.

Arquitetura Segura

A rede WirelessHARTTM é um sistema de rede segura. Tanto a camada MAC quanto a camada de rede(network layer) fornecem serviços de segurança.

A camada MAC fornece integridade de dados hop-to-hop (mecanismo usado para controlar o fluxo de dados em uma rede, onde envolve não somenete o nós de origem e de destino, mas alguns ou todos os nós intermédios, permitindo que dados sejam transmitidos, mesmo que o caminho entre origem e destino não esteja permanentemente ligado durante a comunicação) usando a combinação de CRC (Cyclic Redundancy Check) e MIC ( Message Integrity Code).

O emissor e o receptor utilizam a modalidade CCM (É um algoritmo de criptografia autenticada projetado para fornecer autenticação e confidencialidade. É definido somente para cifras de blocos com um comprimento de bloco de 128 bits, AES-128) juntamente com a AES-128 (Advanced Encryption Standard) para gerar e comparar o MIC.

A camada de rede emprega várias chaves para garantir a confidencialidade e integridade dos dados de conexões (end-to-end connections). Quatro tipos de chaves são definidos na arquitetura de segurança:

  • Public keys: As chaves públicas, que são usados para gerar o MICs na Camada MAC dos dispositivos de união.
  • Network Keys (chaves de rede) que são compartilhados por todos os dispositivos de rede e usadas por dispositivos existentes na rede para gerar o MIC na camada MAC.
  • Join Keys, que são são únicas para cada dispositivo de rede e são usadas durante o processo de adesão para autenticar o
    dispositivo que está entrando na rede com o administrador da rede.
  • Session Keys, que são geradas pelo gestor da rede e é única para cada conexão end-to-end entre
    dois dispositivos de rede. Ela fornece a confidencialidade e integridade dos dados.

 

Figura 12 - Comparação entre o PDU(protocol Data Units) do HART com o WirelessHARTTM

Figura 12 - Comparação entre o PDU(protocol Data Units) do HART com o WirelessHARTTM



Figura 13 - SYSTEM302, sistema aberto baseado em redes digitais.

Conclusão

O fator tecnológico e a inovação tecnológica são responsáveis pelo rompimento e/ou aperfeiçoamento das técnicas e processos de medição e controle. Pode, desta forma, trazer ganhos em termos de competitividade. O rompimento com a tecnologia convencional será uma questão de tempo e com isto serão ampliadas as possibilidades de sucesso com a inovação demandada pelo mercado, neste caso sistemas de automação verdadeiramente abertos (vide figura 13, https://www.smar.com/pt/system302), com tecnologias digitais, baseado em redes industriais, conectividade Wireless e com várias vantagens comparadas aos convencionais SDCDs.

A mudança do controle de processo da tecnologia 4-20 mA para as redes digitais e sistemas abertos já se encontra num estágio de maturidade tecnológica e usuários colhendo seus benefícios. Essa mudança é encarada como um processo natural demandado pelos novos requisitos de qualidade, confiabilidade e segurança do mercado. A sua utilização traz uma vantagem competitiva, no sentido que essa nova tecnologia traz aumentos de produtividade pela redução das variabilidades dos processos e redução dos tempos de indisponibilidade das malhas de controle.

Aguardem os próximos artigos sobre o WirelessHARTTM.

Autor

  • César Cassiolato

Referências:

Soluções Confiáveis

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