• A adoção dos usuários por redes industriais wireless

Schneider Electric technician discussing data center power managment

Aplicações, tecnologia e sistemas

A instrumentação industrial wireless está se tornando rapidamente a tecnologia preferencial para uma classe crescente de aplicações. A implantação wireless economiza custos significativos em comparação a uma instalação equivalente com fiação, resultando em uma economia de 20% a 30% em configurações simples. Reduções de custo podem ser ainda mais atraentes em instalações de grande escala ou em locais remotos. Onde o custo de fiação é proibitivo ou inviável, dispositivos wireless proporcionam boas práticas de instrumentação onde for necessário, para uma operação industrial eficiente e segura.

As vantagens de custo da instrumentação wireless melhoram com volume de escala. Em um sistema com fiação, o custo de cada instrumento adicional requer fiação extra e trabalho, equipamentos e manutenção associados. Um sistema wireless, se projetado para escalabilidade, pode acomodar dispositivos adicionais com a mesma infraestrutura e sem nenhuma fiação adicional. Pela primeira vez, aplicações com centenas ou milhares de pontos de medição podem ser razoavelmente vistos.

Até recentemente, a maioria dos usuários e especialistas viam instrumentos wireless como intrinsecamente inferiores aos seus equivalentes com fio, sendo que a instrumentação com fio era preferida, sempre que possível. À medida que a experiência com a tecnologia wireless cresce, essa atitude está mudando, com a tecnologia wireless tornando-se a seleção padrão dos usuários para aplicações comprovadas. Atualmente, usuários importantes exigem justificativa de custo para a instrumentação com fiação, em aplicações onde foi demonstrado que a tecnologia wireless ultrapassar as necessidades dos usuários.

No modelo de inovação da Clayton Christensen, adaptado na figura 1, produtos de baixo custo inicialmente assumem uma posição defesa, com aplicações simples, na extremidade de baixo custo de um mercado. A partir desse ponto de partida, eles desenvolvem seu caminho através do mercado. Um ponto crítico ocorre quando usuários importantes descobrem que os produtos de baixo custo podem ser usados em aplicações de alto nível. Hoje, a maioria dos principais usuários estão na zona de "adoção por grandes empresas", o que é mostrado como uma zona oval para indicar que as taxas de adoção variam de usuário para usuário.

Instrumentação com fiação x wireless

A tabela 1 resume as principais diferenças entre instrumentação com fiação e wireless. Algumas das características listadas, como perda de sensibilidade e interferência, referem-se a considerações de rádio interferência. Outras características, como troca de bateria, referem-se a restrições de energia quando a instrumentação wireless opera em locais sem energia.

As principais vantagens da instrumentação wireless incluem:

  • Menor custo, especialmente quando uma grande quantidade de instrumentos é instalada.
  • Capacidade de gerenciamento. Quando conexões com fio falham, elas são falhas tipicamente completas, que ocorrem sem avisar. Falhas wireless são, em geral, transitórias, e esses problemas transitórios podem ser evitados principalmente por manutenção preventiva ligada a diagnósticos wireless.
  • Flexibilidade. Depois que um sistema wireless é instalado, é fácil adicionar novos instrumentos wireless e também informar mais dados de instrumentos existentes, utilizando adaptadores wireless.
  • Segurança. A segurança wireless estende-se aos instrumentos de campo e não se baseia na segurança física do meio de transmissão.
  • Redundância dentro de uma rede wireless. Normalmente, a instrumentação com fiação depende de um único fio para cada instrumento, apresentando várias oportunidades de falha. A experiência de campo demonstra que um canal wireless redundante pode ser tão confiável quanto um canal não redundante com fiação, particularmente quando os fios são longos ou sujeitas a condições críticas.
  • Redundância no nível da planta. Um sistema wireless pode adicionar redundância à comunicação com fiação com os mesmos dados comunicados através de canais com fiação e wirelesss. Da mesma forma, quando a instrumentação de campo está envolvida em uma camada de proteção independente (IPL), a tecnologia wireless pode ser uma vantagem se outro IPL utiliza cabeamento disponível.

A Tabela 1 também indica um conjunto de consenso geral sobre as desvantagens de instrumentação wireless, no momento. Essas considerações podem ser geralmente agrupadas como relacionadas à bateria e relacionadas à operação com rádio.

As desvantagens de operação alimentada por bateria incluem:

  • Manutenção da bateria. Manter as baterias de dispositivos wireless cancela um pouco a redução do custo com dispositivos wireless. Uma solução wireless bem projetada deve assegurar que a troca da bateria ocorra junto com a manutenção geral de um instrumento.
  • Instrumentação wireless limitada. Um adaptador wireless ISA100 pode converter uma ampla variedade de instrumentos existentes para tecnologia wireless, mas apenas se o instrumento com fiação tiver energia para operar. Em locais onde não há nenhuma fonte de alimentação externa em CC, as opções de instrumentação podem ser limitadas. Novos produtos wireless estão sendo liberados rapidamente para atender as demandas do mercado.
  • Comunicação contínua. Em alguns casos de uso, não é tecnicamente viável amostrar e comunicar dados de processo continuamente, apenas com carga de bateria. Dispositivos wireless ISA100 podem ser configurados para comunicar dados do processo com frequência em aplicações críticas, com impactos previsíveis na vida útil da bateria, mas somente se o sensor tiver energia para coletar os dados em primeiro lugar.

As desvantagens de operação com rádio incluem:

  • Barreiras processuais. Instrumentos com fiação tem sido usados por décadas, e os processos para especificar e aprovar sistemas com fiação estão bem estabelecidos, junto aos usuários. Muitos destes mesmos usuários não têm processos claros para aprovar dispositivos wireless, especialmente quando há o crédito de segurança envolvido.
  • Natureza estatística de rádio. O desempenho de rádio é estatístico, por natureza, com erros de pacotes e repetições, sendo considerações fundamentais para qualquer projeto de sistema wireless. Um sistema wireless bem projetado terá bastante margem embutida, bem como amplos diagnósticos de rede que detectam a perda de margem, mesmo enquanto o sistema estiver atingindo seus objetivos de desempenho.
  • Taxas de comunicação limitada. Dispositivos ISA100 wireless foram projetado para suportar comunicação com frequência da ordem de cada 0,25 segundos, com uma latência de transmissão de 0,10 segundos, em configurações estruturadas. Taxas de comunicação mais rápidas são consideradas (pelas principais normas) como impróprias para operação com bateria, neste momento.
  • Gerenciamento do espectro. Instrumentação wireless compartilha o espectro de rádio com outros sistemas e aplicações. O gerenciamento do espectro geralmente precisa ser considerado quando cada novo sistema wireless é instalado, e também deverá ser monitorado continuamente. Um sistema wireless bem projetado terá margens de desempenho embutidas e incluirá amplo diagnóstico para detectar a perda de margem devido a interferências de rádio e outras considerações. Diagnósticos de rádio ISA100 wireless incluem métricas que são especificamente destinadas a detectar e barrar automaticamente canais de rádio problemáticos.

Com base em experiências reais com todos esses fatores, os usuários de instrumentação wireless industrial estão aprendendo que a tecnologia wireless pode proporcionar um desempenho mais do que adequado, para uma ampla variedade de aplicações.

Casos de uso da instrumentação wireless industrial

A instrumentação wireless industrial está sendo aplicada a uma ampla variedade de aplicações atualmente. A Figura 2 representa uma forma de resumir os principais casos de uso de aplicações.

O eixo vertical mostra os tipos de aplicações, derivados das classes de uso ISA100:

  • Aplicações de monitoramento e conformidade acompanham o status dos equipamentos ou o estado de um processo, como temperatura ou vibração. Os dados de monitoramento são arquivados para análise posterior e podem ou não ser exibidos para os operadores.
  • Alertas e alarmes acompanham o status de um estado de processo, como temperatura, ou um estado de segurança, como nível de gás de hidrocarbonetos. As exceções são relatadas a um operador, para a ação apropriada.
  • Em aplicações de controle, a instrumentação wireless está envolvida de alguma forma em uma malha de controle. "Malha aberta" significa que um usuário atua na malha; "malha fechada" significa que a malha é automática. Aplicações de malha fechada são divididas, às vezes, em malha externa e malha interna.
  • Em uma função de segurança instrumentada automatizada (SIF), um conjunto de equipamentos destina-se a reduzir o risco de um perigo específico, em uma malha de segurança automatizada.

As caixas verdes na figura 2 indicam onde a instrumentação wireless pode ser utilizada, na prática real em 2014. Esta informação é a declaração de um fato, não quer dizer que a instrumentação wireless seja inadequada para outras aplicações. Por exemplo, a ISA100 wireless foi projetada para taxas de comunicação abaixo de um segundo, mas tempo de subsegundo não é mostrado na figura 2, porque alguns instrumentos wireless são configurados assim hoje. Da mesma forma, a instrumentação wireless para SIF automatizado é mostrada com uma linha pontilhada, para sugerir que ela é factível, mas não está sendo adotada atualmente por muitos usuários.

Alertas, alarmes e segurança

Alertas e alarmes merecem menção especial devido às considerações de segurança. Alarmes envolvem uma condição fora dos limites, que é relatada a um usuário ou sistema. A Yokogawa Electronics Corporation informou que mais de 50% dos seus projetos de instrumentação wireless requerem um período de atualização de 1 a 10 segundos. As aplicações mencionadas incluem detecção de gás, detecção de incêndio, monitoramento de operação (energia), monitoramento de segurança (aço), monitoramento de temperatura fria (gás), e detecção de tsunamis. Todos estes casos podem ser considerados como aplicações de "alarmes".

De acordo com a ANSI/ISA-18.2-2009, um alarme é "um meio sonoro e/ou visível de indicar ao operador sobre mau funcionamento de equipamentos, desvio de processo ou condição anormal que requer uma resposta." O elemento essencial desta definição é a resposta ao alarme.

O termo alerta é usado, em geral, para aplicações com requisitos menos rigorosos do que alarmes, por exemplo, alertas de manutenção, onde a resposta do usuário não é específica ou crítica quanto ao tempo.

A designação "alarme relacionado à segurança" pode ser usada para uma aplicação de alarme que é candidata a crédito de segurança como uma IPL. Para simplificar aprovações, abaixo de 0,9 de disponibilidade pode ser solicitado, classificando assim um alarme como um sistema de controle de processo básico. Independentemente da classificação de um alarme, o objetivo-chave é invariavelmente a alta confiabilidade.

Está bem consolidado o fato de que um sistema de alarme precisa ser designado, para administrar eficazmente alarmes individuais durante a operação normal e administrar muitos alarmes durante um problema de grande porte na planta. Sistemas wireless tem o potencial de suportar muito mais alarmes do que era possível no passado, portanto gestão de alarmes é uma consideração essencial em uma implementação wireless incrementada.


Detecção de gás é um caso de uso importante para alarmes wireless. Os requisitos variam de acordo com a aplicação e região. Por exemplo, o tempo de segurança de processo para resposta (t90) à detecção de gás de hidrocarbonetos, conforme exigido pela IEC60079-29-1 é de 60 segundos. No Japão, o tempo para alarmar deve ser dentro de 30 segundos para uma concentração especificada.

ISA100 wirelesss e a Internet das Coisas

A ISA100 wireless foi projetada como uma extensão da Internet, com base na norma IPv6 da "Internet das Coisas". A IPv6 é um esquema de endereçamento que permite a um número essencialmente ilimitado de dispositivos serem endereçáveis individualmente. Conjuntos de dispositivos ainda podem ser segregados conforme necessário, para fins de segurança e capacidade de gerenciamento, mas com o IPv6, considerações de segurança já não são mais uma restrição. A maioria das previsões sugere que dezenas de bilhões de dispositivos estarão acessíveis pela internet dentro de uma década. Com o uso do IPv6, a ISA100 wireless está bem posicionada para surfar nessa onda.

Redes IPv6 usam normas conhecidas baseadas em endereçamento e podem ser gerenciadas usando ferramentas derivadas de ferramentas e sistemas de gestão de rede da TI tradicional. A geração de gestores de rede e engenheiros de automação atuais conhecem o IPv6, e assim será também com as futuras gerações.

A Figura 3 ilustra a flexibilidade de uma rede universal ISA100 wirelesss em uma rede de malha de exemplo, composta por dispositivos de vários fabricantes. Alguns fabricantes utilizam o protocolo wirelesss ISA100 nativo, ao passo que outros utilizam objetos ISA100 com diferentes protocolos, ao mesmo tempo. Os dois dispositivos HART antigos, conectados por fiação a um controlador, comunicam dados digitais HART simultaneamente para a rede wireless ISA100, através de adaptadores HART wireless ISA-100.

A abordagem da Internet das Coisas na ISA100 Wireless afeta a arquitetura da rede e a experiência do usuário na prática real.

A Figura 4 mostra um projeto de rede estruturada que utiliza o protocolo IP. A rede ISA100 wireless é mostrada como uma nuvem ou malha única, com múltiplas conexões ao backbone IP. Nessa configuração, múltiplos gateways são mostrados como dispositivos de Internet sem um rádio. As mensagens ISA100 wireless fluem através da rede IP. Redes desse tipo são geralmente implantadas utilizando-se uma metodologia estruturada, semelhante à forma como uma rede Wi-Fi ou de telefonia celular é tipicamente implementada.

A Figura 5 mostra um projeto de rede específico. Uma série de pequenas redes, comumente para finalidade única, são instaladas ao longo do tempo. Cada rede está ligada a um dispositivo chamado de gateway. O diagrama mostra que cada gateway também hospeda uma função de gerenciamento. As conexões no outro lado do gateway são apresentadas como uma série de pontos de interrogação, sugerindo que a interface do lado de alta não é especificada pela norma e poderia ser praticamente sobre qualquer coisa. A ISA100 wireless é projetada para crescer via IP. Na prática, pequenos sistemas ou sistemas de avaliação tendem a usar metodologias para fins específicos, conforme ilustrado na figura 5. No entanto, à medida que os sistemas crescem, a maioria dos usuários vai preferir aproveitar o backbone IP, conforme ilustrado na figura 4. Sistemas para fins específicos tendem a ser implantados de forma orgânica, um projeto de cada vez, e pode gerar um caos incontrolável em grande escala. Por exemplo, falha de baterias não planejada e instabilidade no caminho da comunicação são sintomas típicos de uma metodologia para fins específicos que é aumentada de forma inadequada.

Prontas para o horário nobre

A instrumentação industrial wireless está atualmente em uma fase em que os principais usuários estão lançando programas ISA100 wireless. O "ponto crítico" para a wireless industrial ocorre quando grandes usuários mudam de uma abordagem de fins específicos, para campanhas wireless. Em uma abordagem para fins específicos, de baixo para cima, pequenos sistemas wireless são instalados um a um para resolver problemas específicos, contando com a paixão dos primeiros a adotar de forma proativa. Em uma campanha vinda de cima, as soluções são implantadas para apoiar a estratégia da empresa. Um processo bom permite as duas abordagens, com sistemas específicos bem-sucedidos transformando-se em laboratório para futuras campanhas wireless.

A instrumentação industrial wireless é amplamente considerada como adequada para monitoramento, controle e alarmes, incluindo alarmes de segurança. Os sistemas podem ser implantados usando uma metodologia para fins específicos, para iniciar o processo, mas os usuários serão melhor atendidos quando os sistemas forem escalonados utilizando uma metodologia mais estruturada, que aproveita a Internet das Coisas. A aceitação dos usuários e sua demanda por tecnologia wireless para missões críticas escalonadas, baseadas em IP, está impulsionando a adoção da ISA100 wireless. A ISA100 wireless está pronta para apoiar uma curva de crescimento rápido com seu projeto aberto, sistema escalonável e arquiteturas de produtos, e ecossistema independente de fornecedor.

Para ver o white paper completo, visite a página www.isalOOwci.org/en-US/Learning-Center/White-Papers/ISAl 00-WirelessApplications,-Technology,-and-Syst.«

AVANÇAR

* A instrumentação industrial wireless está se tornando rapidamente a tecnologia preferencial para uma classe crescente de aplicações.

* As vantagens de custo da instrumentação wireless melhoram com o volume de escala.

* Os usuários de wireless industriais estão assimilando rapidamente que a tecnologia wireless funciona bem, para uma ampla variedade de aplicações.

SOBRE O AUTOR

Jay Werb (jayw@isa100wci.org) é diretor técnico do Instituto de Conformidade Wireless ISA100 (WCI), onde gerencia a conformidade da organização e outros programas técnicos. É editor e autor da seção da camada de link de dados da norma ISA100.11a. Werb possui mais de 30 anos de experiência no campo da informática, com os últimos 20 anos focados em wireless. Foi fundador técnico de várias empresas de tecnologia e é titular de mais de uma dúzia de patentes. Além do seu trabalho na WCI, Werb é consultor da AIW LLC, onde auxilia usuários finais na adoção estratégica de instrumentação wireless industrial. Tem bacharelado em biologia e mestrado em administração, ambos do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts).

Veja a versão online na página www.isa.org/intech/20141206.

Copyright da International Society of Automation Nov./Dez. 2014


Este artigo foi escrito por Jay Werb da InTech e foi licenciado oficialmente por meio da rede de editores NewsCred.