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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ
UNIDADE DE PONTA GROSSA
DEPARTAMENTO DE PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
PPGEP
NEURY BOARETTO
TECNOLOGIA DE COMUNICAÇÃO EM SISTEMA
SCADA – ENFOQUE EM COMUNICAÇÃO WIRELESS
COM ESPALHAMENTO ESPECTRAL
PONTA GROSSA
2005
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NEURY BOARETTO
TECNOLOGIA DE COMUNICAÇÃO EM SISTEMA
SCADA – ENFOQUE EM COMUNICAÇÃO WIRELESS
COM ESPALHAMENTO ESPECTRAL
Dissertação apresentada como requisito parcial
à obtenção do título de Mestre em Engenharia
de Produção, do Programa de Pós-Graduação
em Engenharia de Produção, Área de
Concentração: Gestão Industrial, do
Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação,
da Unidade de Ponta Grossa, do CEFET-PR.
Orientador: Prof. Luciano Scandelari, Dr.
PONTA GROSSA
2005
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PPGEP – Gestão Industrial (2005)
2
Boaretto, Neury
Tecnologia de comunicação em sistema SCADA – enfoque em
comunicação Wirelless com espalhamento espectral / Neury Boaretto. - -
Ponta Grossa : CEFET-PR / Unidade de Ponta Grossa, 2005.
95 f. : il. ; 30 cm
Orientador: Prof. Dr. Luciano Scandelari
Dissertação (Mestrado) - Centro Federal de Educação Tecnológica do
Paraná, Unidade de Ponta Grossa. Curso de Pós-Graduação em Engenharia
de Produção. Ponta Grossa, 2005.
1. Tecnologia da informação. 2. Sistemas de comunicação sem fio.
3. Comunicação e tecnologia. I. Scandelari, Luciano. II. Centro Federal de
Educação Tecnológica do Paraná, Unidade de Ponta Grossa. III.Título.
CDD 621.3845
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
3
Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná
Unidade de Ponta Grossa
Deparatamento de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de
Produção
TERMO DE APROVAÇÃO
Título de Dissertação Nº 005
Tecnologia de comunicação em sistema SCADA – Enfoque em comunicação Wireless
com espalhamento espectral
por
Neury Boaretto
Esta dissertação foi apresentada às quinze horas do dia 30 de setembro de 2005
como requisito parcial para a obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA DE
PRODUÇÃO, Linha de Pesquisa em Gestão do Conhecimento e Inovação,
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção. O candidato foi argüido
pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após
deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________________ __________________________________________
Profº Drº Gustavo Henrique Da Costa Oliveira Prof. Dr. Bruno Ramond
PUC-PR UTC - FRANÇA
___________________________________ ___________________________________
Prof. Dr. João Luiz Kovaleski Prof. Dr. Rui Francisco Martins Marçal
CEFET-PR CEFET-PR
____________________________________
Profº Dr. Luciano Scandelari
CEFET-PR
Orientador
Visto do Coordenador:
___________________________________
Prof.º Dr. Kazuo Hatakeyama
Coordenador do PPG
4
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a todos que, direta ou indiretamente, colaboraram.
Primeiramente, a Deus, pela presença real e constante em todos os momentos.
Agradeço também a minha família, aos meus filhos Matheus e Júlia, bem como
minha esposa, Leonilda, que sempre esteve torcendo e auxiliando desde o início.
Agradeço ao professor Luciano Scandelari, pela orientação, incentivo e
amizade dispensados durante o desenvolvimento deste trabalho, à professora Nádia
Sanzovo, pela contribuição pertinente nas revisões da dissertação.
A empresa SANEPAR, pela abertura e apoio no levantamento de dados,
durante o estudo de caso.
Não poderia deixar de expressar os meus agradecimentos aos meus colegas
de mestrado e companheiros de viagens, durante o período de realização do curso,
professores João Carlos Chiochetta e Herus Pontes.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
5
RESUMO
A necessidade da informação da produção ser disponibilizada em vários locais
simultaneamente, mostrando resultados on-line da cadeia de produção, faz com que
as redes de comunicação de dados estejam cada vez mais presentes no cotidiano
empresarial e obriga a constante busca por novas técnicas e meios de estabelecer
essa comunicação. Especificar sistemas de supervisão e controle da produção
(SCADA), sobretudo, envolvendo monitoramento remoto e controle de máquinas e
equipamentos em tempo real, não é uma tarefa fácil. Na estratégia de investimento,
a escolha apropriada da rede e o meio de estabelecer essa comunicação na
integração dos equipamentos distribuídos em locais diferentes é um fator importante
para o sucesso da integração da cadeia de produção. O presente trabalho compara
as tecnologias de comunicação em sistemas SCADA, através de uma pesquisa
qualitativa e estudo de caso em uma empresa com sistema de controle da produção
implantado e rede de dados com diversos meios de comunicação, como cabos
condutores de eletricidade, fibra ótica e ondas de rádio (wireless). O resultado é útil
para qualquer projetista envolvido em fases de planejamento e projeto de sistemas
SCADA. O estudo mostrou que, em locais de difícil acesso ou onde a substituição
das linhas físicas se justifica pelo retorno financeiro a médio e longo prazo, a
comunicação wireless com técnica de espalhamento espectral, utilizando rádio
MODEM em freqüências operando nas faixas liberadas pela ANATEL, é atualmente
a tecnologia sem fio que apresenta a melhor relação custo/benefício na
comunicação em sistemas SCADA, já que essa tecnologia elimina os custos
mensais de transmissão de dados, quando comparado com as linhas dedicadas de
dados ou telefones celulares com tarifação por pacote de dados. Esse sistema
apresenta uma solução segura, confiável e adequada para a comunicação de dados
entre CLP e computador, além de conceder aos usuários independência dos
sistemas públicos e privados de comunicação.
Palavras-chave: Sistema SCADA; Wireless; Spread Spectrum; Redes Industriais.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
6
ABSTRACT
The necessity of the production information to be divulged in some places
simultaneously, showing resulted on-line of the production chain, made with that the
data communication nets are each time more present in enterprise daily and compels
the constant search for new techniques and ways to establish this communication. To
specify supervisory control and acquisition data system (SCADA), over all, involving
remote supervision and control of machines and equipment in real time, is not an
easy task. In the investment strategy, the appropriate choice of the net and way to
establish this communication in the integration of the equipment distributed in
different places are an important factor for the success of the production chain
integration. The present work compares the technologies of communication in
SCADA systems, through a qualitative research and case study in a company with
SCADA system implanted and net of data with diverse ways, as conducting handles
of electricity, optics fiber and waves of radio (wireless). The result is useful for any
involved designer in phases of planning and project of SCADA systems. The study it
showed that, in places of difficult access or where the substitution of the physical
lines if justifies for the financial return the medium and long run, the communication
wireless with technique of spread spectral, using radio MODEM in frequencies
operating in the set free bands for the ANATEL, is currently the technology without
wire that presents the best cost/benefit relation in the communication in SCADA
systems, since this technology eliminates the data-communication monthly costs,
when compared with the dedicated lines of data or cellular telephones with tariff for
package data. This system presents a solution safe, trustworthy and adjusted for the
communication of data between PLC and computer, besides granting to the users
independence of the public and private communication systems.
Keywords: SCADA System; Wireless; Spread Spectrum; Field buses.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Ciclo de Geração de Dados de Chão de Fábrica......................................8
Figura 2.2 Hierarquia da automação industrial.........................................................10
Figura 2.3 Diagrama de blocos de um sistema de automação..................... ..........12
Figura 2.4 Diagrama de blocos simplificado de um CLP..........................................14
Figura 2.5 Exemplo de Arquitetura de uma Rede Industrial.....................................18
Figura 2.6 Modelo OSI..................................................................................... ........19
Figura 2.7 Componentes de um sistema SCADA.......................................... ..........26
Figura 3.1 Divisão do espectro eletromagnético............................................ ..........29
Figura 3.2 Princípio de funcionamento de um rádio enlace......................... ............31
Figura 3.3 Componentes essenciais para comunicação wireless............................32
Figura 3.4 Sentido de propagação de uma onda eletromagnética...........................34
Figura 3.5 Antena direcional – Yagi............................................................... ..........35
Figura 3.6 Diagramas de irradiação de antenas Yagis.................................. ..........36
Figura 3.7 Antena omnidirecional do tipo vertical.....................................................37
Figura 3.8 Diagramas de irradiação de antenas Omnidirecionais............................37
Figura 3.9 Cálculo da máxima distância de link de comunicação............................38
Figura 3.10 Necessidade de repetidores em função do relevo..................................38
Figura 3.11 Necessidade de repetidores em função da distância..............................39
Figura 3.12 Relação entre a banda de espectro de modulação
convencional spread spectrum...............…................................... ..........41
Figura 3.13 Frequency Hopping Spread Spectrum....................................................42
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
8
Figura 3.14 Direct Sequence Spread Spectrum.........................................................44
Figura 4.1 Aplicação da tecnologia wireless na pirâmide de automação
industrial......................................................................................... .........45
Figura 4.2 Sistema wireless SCADA Ponto Multiponto............................... ............46
Figura 4.3 Sistema wireless SCADA Ponto a Ponto...................................... ..........48
Figura 5.1 Estação de tratamento de água e esgoto da SANEPAR............ ...........54
Figura 5.2 Sistema de produção e distribuição de água tratada..............................57
Figura 5.3 Sistema SCADA SANEPAR – Regional Pato Branco.............................60
Figura 5.4 Integração dos sistemas de produção e corporativo.................. ............61
Figura 5.5 Ampliação do Sistema SCADA – Pato Branco........................... ...........62
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
9
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Classificação dos sinais em relação à freqüência...................................29
Tabela 3.2 Ganho médio de antenas Yagis em relação a uma antena
Isotrópica.................................................................................................35
Tabela 3.3 Ganho médio de antenas Yagis..............................................................36
Tabela 4.1 Comparação entre tecnologias wireless ....................................... .........49
Tabela 4.2 Comparação entre tecnologias wireless SCADA....................................50
Tabela 4.3 Custo de link de comunicação wireless em sistema SCADA..................50
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
10
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações
CDMA Code Division Multiple Access
CLP Controlador Lógico Programável
COPEL Companhia Paranaense de Energia
dBd Decibéis relativos ao dipolo de meia onda
dBi Decibéis relativos ao radiador isotrópico
dBm Decibéis relativos a um miliwatt ( 1 mW )
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
EDGE Enhanced Data rates for Global Evolution
EPS Enterprise Production Systems
ERP Enterprise Resources Planning – Sistemas de Planejamento das
Necessidades Empresariais
ETA Estação de Tratamento de Água
FCC Federal Communications Commission
FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum
FM Freqüência Modulada
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile communications
HTML HyperText Markup Language
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IHM Interface Homem-Máquina
ISM Industrial, Scientific and Medical
ISO International Standards Organization
LAN Local Area Network
MODEM Modulação e Demodulação
NEMA National Electrical Manufacturers Association
OPC OLE for Process Control
OSI Open System Interconnection
PLC Programmable Logic Controller
RTUs Remote Terminal Units
SCADA Supervisory Control and Acquisition Data System
UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
UHF Ultra High Frequency
VHF Very High Frequency
WAN Wide Area Network
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
11
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS
RESUMO
ABSTRACT
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
1. CONTEXTO DO ESTUDO
1.1 INTRODUÇÃO.................................................................................................... 13
1.2 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO..................................................................... 15
1.3 PROBLEMA DE PESQUISA............................................................................... 15
1.4 OBJETIVOS ....................................................................................................... 16
1.4.1. Objetivo geral ...............................................................................................
16
1.4.2. Objetivos específicos ..................................................................................
16
1.5 JUSTIFICATIVA.................................................................................................. 16
2. SISTEMAS INTEGRADOS DE PRODUÇÃO ......................................................
19
2.1 AS NOVASA FRONTEIRAS DA AUTOMAÇÃO ................................................ 21
2.2 A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL .......................................................................... 23
2.2.1 CLP - Controlador Lógico Programável .....................................................
25
2.2.2 Sensores e atuadores ...................................................................................
26
2.3 ARQUITETURAS DE REDES INDUSTRIAIS .................................................... 27
2.3.1 Rede de informação corporativa..................................................................
28
2.3.2 Rede de controle industrial...........................................................................
29
2.3.3 Rede de campo..............................................................................................
29
2.3.4 Exemplo de arquitetura para rede industrial...............................................
29
2.4. PROTOCOLOS DE REDES INDUSTRIAIS MAIS USADOS............................ 30
2.4.1 Interface RS 485.............................................................................................
32
2.4.2 Protocolo de Comunicação MODBUS.........................................................
33
2.4.3 Protocolo PROFIBUS.....................................................................................
34
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
12
2.4.4 Protocolo Ethernet.........................................................................................
35
2.4.5 Protocolo Foundation Fieldbus…………………………………………..…….
35
2.5 SISTEMAS SCADA ........................................................................................... 35
3. COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO - WIRELESS.........................................
40
3.1.COMPONENTES ESSENCIAIS PARA UMA COMUNICAÇÃO WIRELESS..... 45
3.1.1. Rádio MODEM...............................................................................................
46
3.1.2. Linha de Transmissão..................................................................................
47
3.1.3. Antenas..........................................................................................................
47
3.1.4 Meio de Propagação......................................................................................
51
3.2. TRANSMISSÃO DIGITAL SEM FIO - SPREAD SPECTRUM........................... 53
3.2.1 Salto de Freqüência (Frequency Hopping Spread Spectrum) – FHSS…..
56
3.2.2 Seqüência Direta (Direct Sequence Spread Spectrum) – DSSS................
57
4. SISTEMAS WIRELESS SCADA .........................................................................
60
5. ESTUDO DE CASO – SANEPAR........................................................................
68
5.1. DESCRIÇÃO DA EMPRESA.............................................................................
69
5.2. AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE PRODUÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE
ÁGUA........................................................................................................................
70
5.3 COMUNICAÇÃO DE DADOS EM SISTEMAS SCADA NA SANEPAR..............
74
5.3.1 Regional Pato Branco....................................................................................
74
5.3.2 Região oeste e sudoeste do Paraná............................................................
78
5.4. ANÁLISE DOS RESULTADOS..........................................................................
80
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES...................................................................
82
REFERÊNCIAS........................................................................................................
85
APÊNDICE...............................................................................................................
88
ANEXOS .................................................................................................................
89
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
13
Capítulo 1
CONTEXTO DO ESTUDO
1.1. INTRODUÇÃO
O crescimento das empresas exige um incremento proporcional sobre a
necessidade de controle e processamento de informações. Paralelamente, o
mercado exige, também, uma constante atualização tecnológica de forma a diminuir
o tempo de resposta empresarial a estímulos externos.
A necessidade de a informação ser disponibilizada em vários locais
simultaneamente, mostrando resultados on-line da cadeia de produção, faz com que
as redes de comunicação de dados estejam cada vez mais presentes no cotidiano
empresarial e obriga a constante busca por novas técnicas e meios de estabelecer
essa comunicação.
Atendendo a essa necessidade, os sistemas SCADA (Supervisory Control
and Acquisition Data System) permitem que sejam monitoradas e rastreadas
informações do processo produtivo. Eles possibilitam manipular informações
remotamente, a inclusão de interfaces gráficas para os usuários conectados em
rede, verificar alarmes, gravar informações em banco de dados, gerar relatórios e,
principalmente, trocar informações entre diversos outros softwares e componentes.
Especificar sistemas SCADA, sobretudo, envolvendo monitoramento remoto e
controle de máquinas e equipamentos em tempo real, não é uma tarefa fácil.
Um sistema SCADA consiste na integração de vários equipamentos de
inúmeros fabricantes, que inclua sensores, atuadores, motores controlados,
controladores lógicos programáveis (CLP), computadores, software de supervisão e
controle e rede de comunicação.
Em relação às redes de comunicação, existem diversas soluções em
constante evolução e que devem atender a diversas necessidades, como, por
exemplo: diminuir o tempo de recebimento das informações, garantirem que estas
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
14
cheguem ao destino correto de forma íntegra e inteligível a locais muitas vezes
inusitados, reduzir o tempo e o custo de manutenção e aumentar a segurança.
Para sistemas de automação distribuídos, sobretudo, envolvendo unidades
remotas situadas em locais não atendidos pelas redes de comunicação de dados
com fio, existe a alternativa de se utilizar redes de comunicação wireless, que utiliza
a transmissão de dados por ondas de rádio.
Para se conceber uma solução de automação, o primeiro passo é especificar
a arquitetura do sistema, organizado seus elementos vitais: dispositivos de aquisição
de dados, CLP, instrumentos, sistema de supervisão, etc, em torno de redes de
comunicação de dados apropriadas. A escolha da arquitetura determinará o sucesso
de um sistema para alcançar os seus objetivos de desempenho, modularidade,
expansibilidade, etc (SEIXAS, 2004).
Costa e Caulliraux (1995) se fundamentam na atuação limitada da tecnologia
dos equipamentos, processos, materiais e de sistemas gerenciais e sugerem que “é
preciso escolher entre opções tecnológicas diversas, pois cada combinação
particular conduz a diferentes desempenhos nos diversos parâmetros operacionais
de um sistema produtivo”.
Desta forma, as arquiteturas de integração devem descrever quais
tecnologias devem ser utilizadas e como esses sistemas devem ser estruturados.
Como a integração de sistemas de manufatura é viabilizada por tecnologias que vão
sendo disponibilizadas no mercado, bem como, constantemente, vão surgindo
muitas outras novas tecnologias, surge também a necessidade de reposicionar essa
infra-estrutura periodicamente (MARTINS, 2002).
Neste contexto, esta pesquisa tem por objetivo fazer uma análise qualitativa
da utilização das redes de comunicação de dados com e sem fio utilizadas em
sistemas SCADA e que estão disponíveis no mercado. A análise foi realizada
através de estudo de caso, por meio de entrevistas com profissionais de automação
e tecnologia de informação (TI), comparando com as informações retiradas na
literatura existente e informações fornecidas pelos fabricantes e fornecedores de
comunicação wireless, focando na relação custo/benefício para auxiliar na definição
dos casos de processo em que essa tecnologia pode ser bem utilizada.
O estudo também compara a utilização das tecnologias wireless indicadas
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
15
pelos fornecedores como potenciais na automação industrial, como celular, Wi-Fi e
Rádio MODEM nas freqüências licenciadas e não licenciadas.
O resultado final poderá ser útil para qualquer projetista envolvido em
tecnologias SCADA, sobretudo, na fase de planejamento e projeto de sistemas de
comunicação industrial. Este estudo fornece dados técnicos, comerciais e
operacionais suficientes para auxiliar na tomada de decisão a respeito da
especificação da tecnologia de comunicação adotada.
1.2. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Uma discussão sobre sistemas integrados de produção é apresentada no
capítulo 2, abordando as tendências na integração de sistemas industriais, desde o
chão de fábrica até os sistemas corporativos, passando pela descrição de todos os
elementos que compõem esses sistemas, como sensores, atuadores, CLP, redes
industriais, sistemas SCADA e sistemas ERP (Enterprise Resources Planning).
O capítulo 3 apresenta as tecnologias de comunicação de dados sem fio em
uso, com suas respectivas aplicações.
O capítulo 4 trata da utilização da comunicação sem fio na conexão entre o
nível de supervisão e o nível de controle (PC-CLP) em sistemas SCADA,
identificando o estado da arte da comunicação wireless para esse fim.
O capítulo 5 apresentada a empresa pesquisada, descreve os processos
realizados, os resultados encontrados e a análise das informações obtidas nas
entrevistas e visitas realizadas.
No capítulo 6, estão as considerações finais e sugestões para trabalhos
futuros.
1.3. PROBLEMA DE PESQUISA
Existem atualmente, diversas tecnologias de comunicação wireless
disponíveis no mercado, estas prometem substituir a comunicação com fio e
propiciar a comunicação de dados entre os diversos elementos que compõem um
sistema SCADA. O problema para o usuário é definir dentre essas tecnologias, para
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
16
que casos de processos de produção elas são mais indicadas tecnicamente e qual é
a tecnologia que apresenta a melhor relação custo/benefício?
1.4. OBJETIVOS
1.4.1. Objetivo geral
Apontar, dentre as tecnologias de comunicação wireless SCADA disponíveis
no mercado, para que casos de processos de produção elas são mais indicadas e
qual é a tecnologia que apresenta a melhor relação custo/benefício.
1.4.2. Objetivos específicos
Traçar um comparativo entre comunicação wireless e comunicação com fio,
aplicadas a sistemas SCADA, apontando em que casos a comunicação wireless é
mais indicada como meio de transmissão de dados em sistemas de produção.
Identificar os benefícios e os possíveis problemas decorrentes da
comunicação wireless entre os diversos elementos que compõem um sistema
SCADA.
Apontar, dentre as tecnologias de transmissão wireless utilizadas atualmente,
qual é a mais indicada na utilização em sistemas SCADA, em termos de custo de
instalação e transmissão de dados, manutenção, segurança no tráfego de
informações e tempo de resposta em operação on-line.
1.5. JUSTIFICATIVA
Nos sistemas SCADA, a comunicação do CLP do local remoto ao ponto de
supervisão passa por uma rede de comunicação, utilizando principalmente uma das
portas seriais dos equipamentos que compõem esse sistema.
Em projetos de automação mais antigos, o MODEM possibilita que dados
digitais sejam transmitidos por linhas físicas alugadas ou linhas telefônicas discadas.
Em sistemas SCADA, os dados são transmitidos de forma digital e podem
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
17
utilizar como meio de transmissão cabos e fios ou serem irradiados através de ondas
eletromagnéticas ou luz.
As soluções com cabos na transmissão de dados procedentes de
instrumentos de medição e controle instalados em ambientes remotos envolvem
custos de cabeamento, acessórios para a instalação, autorização para a passagem
dos cabos em terrenos de terceiros e tempo despendido nesse processo.
Além disso, os cabos estão vulneráveis a vários agentes, como: queimadas,
máquinas que rompem os cabos, roubos de cabos, sabotagem, descargas
atmosféricas, ventos, etc.
As redes de comunicação de dados industriais, utilizadas em sistemas
SCADA, podem ser implementadas com ou sem fio e podem utilizar diferentes
protocolos de comunicação.
Será que os usuários de sistemas SCADA podem encontrar, nas redes de
dados sem fio, a possibilidade de reduzirem os custos de infra-estrutura e também
eliminarem os custos de aluguel de linhas de dados dedicadas ou discadas, que
representam um custo fixo que é cobrado mensalmente pelas empresas de
telecomunicação.
As redes sem fio podem trabalhar em faixas de freqüência licenciadas ou não
licenciadas. A tecnologia wireless empregada em faixas de freqüência não
licenciadas, utiliza equipamentos na categoria de aplicações conhecidas
internacionalmente como ISM (Industrial, Scientifical, Medical), geralmente utilizando
técnicas de espalhamento espectral (spread spectrum). Nos Estados Unidos, a
maioria das aplicações wireless não licenciadas utilizadas em sistemas SCADA são
transmitidos sobre uma das faixas ISM alocadas pelo organismo responsável pelo
espectro de freqüências (FCC nos EUA, ANATEL no Brasil). Nos EUA, essas faixas
incluem freqüências de 902-928 MHz, de 2.4-2.483 GHz, de 5.15-5.35 GHz e de
5.725-5.875 GHz (FROBASE, 2001).
No Brasil, a ANATEL padronizou as faixas ISM nas freqüências de 902-907.5
MHz, 915-928 MHz, 2400-2483,5 MHz, 5725-5875 MHz e 24,00-24,25 GHz
(Resolução n° 365, 05/2004 ANATEL).
Os equipamentos de rádio MODEM spread spectrum são uma das opções de
tecnologia disponíveis na comunicação de dados sem fio e estão atualmente
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
18
disponíveis na faixa de 2.4-2.483 GHz e na faixa de 902-928 MHz.
Redes WLAN padrão IEEE 802.11 (Wi-Fi) e telefones celulares com tarifação
pela quantidade de pacote de dados transmitidos e recebidos, também, são
indicados pelos fabricantes e fornecedores como possíveis de serem utilizados em
sistema SCADA.
Nesta pesquisa, é realizada uma comparação entre as informações
fornecidas pelos usuários e fornecedores de sistema SCADA, que utilizam
comunicação wireless, através de estudo de caso em uma empresa que possui os
seus processos de produção em locais remotos, comparando com as informações
fornecidas pelos fabricantes ou fornecedores de equipamentos e soluções, de forma
a ignorar o exagero comercial.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
19
Capítulo 2
SISTEMAS INTEGRADOS DE PRODUÇÃO
Em virtude da acirrada competitividade mundial, as empresas têm buscado
implementar mudanças significativas em seus procedimentos administrativos e
estratégicos que vão desde a diminuição de custos, diminuição dos prazos de
entrega, melhores produtos à agilidade na tomada de decisões (FAVARETTO,
2001). De modo geral, um ambiente de trabalho coeso e integrado torna-se um
diferencial na concorrência e na conquista de novos mercados, segundo Martins
(2002).
Desta forma, nas empresas, os processos que eram executados
manualmente estão sendo automatizados através de sistemas computacionais de
menor custo e maior desempenho.
A estratégia de investimento na integração dos processos produtivos e
administrativos passa pela especificação de inúmeras tecnologias e de fornecedores
dos mais variados. Uma escolha inadequada pode levar a problemas na
comunicação dos diversos sistemas envolvidos, causando prejuízos financeiros
ocasionados pelos investimentos realizados e pelo tempo empregado na aquisição e
implantação dos sistemas.
A situação atual, observada em muitas empresas de manufatura que utilizam
ordens de produção, quanto ao ciclo de geração e uso de informação, é
exemplificada na figura 2.1, onde se vêem, na execução da manufatura e no
controle da produção, o apontamento manual e a digitação dos dados para os
sistemas de planejamento e programação da produção e, posteriormente, a emissão
das ordens de produção.
Os resultados da manufatura precisam ser controlados quanto às
quantidades e tempos de produção e quando esses resultados são coletados de
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
20
forma manual, não retratam a realidade do chão de fábrica. Conseqüentemente, de
acordo com Soares (apud FAVARETTO, 2001), as informações, a partir desses
apontamentos manuais, são inseridas nos sistemas ERP, que, por sua vez, geram
respostas irreais para análises em um processo de tomadas de decisão.
Assim, em um ambiente produtivo, a falta de informações confiáveis de chão
de fábrica cria uma perspectiva que não retrata a realidade.
ORDENS DE
PRODUÇÃO
PROGRAMAÇÃO
DA PRODUÇÃO
PLANEJAMENTO
DA PRODUÇÃO
EXECUÇÃO
(MANUFATURA)
CONTROLE DA
PRODUÇÃO
CADASTRO DE
TEMPOS E
PRODUTIVIDADE
APONTAMENTO MANUAL
DIGITAÇÃO
CICLO DE
GERAÇÃO DA
INFORMAÇÃO
DA
PRODUÇÃO
Figura 2.1. Ciclo de Geração de Dados de Chão de Fábrica
Fonte: Favaretto (2001)
Por outro lado, segundo Caetano et al (2001), um monitoramento que
forneça informações de forma rápida e confiável pode ser um grande diferencial para
manter a competitividade das empresas de manufatura (apud FAVARETTO, 2001).
Ou seja, aquelas companhias que compartilham informações desde o chão de
fábrica até os níveis executivos, e, ao mesmo tempo, com os clientes e
fornecedores, podem ter a agilidade para fornecer aquilo que os seus clientes
querem, no momento e no lugar preciso, quando utilizam ferramentas de integração
e comunicação adequadas.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
21
Para Pudá (2003), a integração dos equipamentos de chão de fábrica com
sistemas de gerenciamento e planejamento gerenciais sempre foi penosa e difícil,
fazendo com que muitos usuários priorizassem a inserção manual de dados de
produção nos sistemas de gestão, baseados em relatórios extensos e nem sempre
completos, em detrimento dos investimentos em integração dos sistemas.
Na opinião de Buzatto (2001), em entrevista à revista IntechBrasil (2001), a
integração é, hoje, a palavra-chave para a eficiência da gestão da qualidade.
Antigamente, os sistemas eram isolados. As empresas dispunham de redes de
comunicação de dados, utilizando diversos meios de transmissão para os
controladores se comunicarem com seus dispositivos de controle e instrumentação
(nível 1). Em um nível superior, os mesmos controladores necessitam trabalhar
essas informações e se utilizam de outros meios para comunicar os resultados para
o nível de supervisão (nível 2). A corporação propriamente dita, no chamado nível
estratégico (nível 3), em geral, trabalha com dados off-line, alimentados, às vezes,
até mesmo manualmente.
Assim, busca-se a informação integrada, ou seja, os dados de chão-de-
fábrica colaborando com os sistemas corporativos. Todos os dispositivos devem
falar a mesma língua, em todos os níveis, para a informação ser dinâmica e
colaborativa, e os resultados serem imediatamente visíveis à alta gerência. É
possível, desta forma, através das redes de comunicação, visualizar dados
dinâmicos do processo produtivo em qualquer lugar do mundo, contribuindo para
que o nível estratégico tenha informações confiáveis dos produtos que estão sendo
fabricados.
Existem, por exemplo, muitas informações sobre o que está acontecendo na
fábrica que podem ser mais úteis se não estiverem disponíveis somente para o
operador na sala de controle, mas também para o pessoal da qualidade, de
engenharia, para o gerente de produção e para outras pessoas da empresa.
2.1. AS NOVAS FRONTEIRAS DA AUTOMAÇÃO
Segundo Seixas (2000), “a automação rompeu os grilhões do chão-de-fábrica
e buscou fronteiras mais amplas, se abrangendo a automação do negócio ao invés
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
22
da simples automação dos processos e equipamentos”.
Para o chão-de-fábrica, a automação, por exemplo, através de sistema
SCADA, permite a coleta de dados em tempo real dos processos de produção,
possuindo, também, interfaces para a transferência dos dados para os sistemas
administrativos da empresa (MARTINS, 2002).
Nessa configuração, o PC é a plataforma preferida de supervisão e operação
de processos. Os softwares de supervisão e controle apareceram em diversos
tamanhos, em diversos sistemas operacionais, com diversos repertórios de
funcionalidades (SEIXAS, 2000).
Assim, o sistema SCADA, que compreendem o nível de controle e
instrumentação e supervisão, ilustrado na figura 2.2, tem como objetivo principal o
monitoramento do chão de fábrica, através de uma comunicação em tempo real, ou
seja, a função principal do SCADA é mostrar o que está ocorrendo no chão de
fábrica naquele exato momento. Na seção 2.4. é apresentada a definição de um
sistema SCADA e a descrição detalhada dos seus componentes.
Martins (2002) aponta que, na hierarquia da automação industrial, os
sistemas SCADA, oferecem funções importantes no monitoramento de problemas,
como parada de máquinas por problemas mecânicos ou falta de matéria prima,
usualmente chamados de motivos de parada da produção. Ou seja, a produção
pode apresentar gargalos influenciados por um processo comumente lento ou por
máquinas que sempre estão com algum problema.
Figura 2.2 – Hierarquia da automação industrial
Verifica-se, também, na figura 2.2, devido ao aumento da confiabilidade dos
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
23
computadores que o controle deixa de ser exclusividade do CLP, que está na base
da pirâmide, para interagir com o software de supervisão, facilitando a interação com
o usuário e aumentando a flexibilidade do projeto. A receita que começa a ser
planejada e definida no nível estratégico é refinada e personalizada para os
equipamentos de uma determinada linha (SEIXAS, 2000).
Nessa hierarquia, o sistema estratégico, que pode ser o ERP, possui
funcionalidades para a integração entre todos os departamentos da empresa. O
ERP, além de atuar no planejamento, controla e fornece suporte a processos
operacionais, produtivos, administrativos e comerciais da empresa.
De forma geral, de acordo com Martins (2002), os sistemas ERP fornecem
suporte às atividades administrativas (finanças, recursos humanos, contabilidade e
tributário); comerciais (pedidos, faturamento, logística e distribuição) e produtivas
(projeto, manufatura, controle de estoques e custo).
Utilizando-se essa arquitetura, é realizada a integração entre os dados
coletados automaticamente do chão de fábrica com os sistemas corporativos ou
estratégicos das empresas.
2.2. A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
O termo automação descreve um conceito amplo, envolvendo um conjunto de
técnicas de controle, das quais é criado um sistema ativo, capaz de fornecer a
resposta adequada em função das informações que recebe do processo em que
está atuando. Dependendo das informações, o sistema calculará a melhor ação
corretiva a ser executada (WEG, 2002).
Entende-se também por automação, qualquer sistema, apoiado em
computador ou equipamento programável, que remova o trabalhador de tarefas
repetitivas e que vise a soluções rápidas e econômicas para atingir os objetivos das
indústrias.
O controle, sob o ponto de vista tecnológico, tem um papel importantíssimo no
desenvolvimento de ações planejadas, modelando processos desde os mais simples
até os mais complexos. Na figura 2.3, verifica-se, através de um diagrama de blocos,
um sistema de automação inteligente em que os blocos são realimentados, o
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
24
controlador (CLP) verifica os estados do processo através dos sensores, toma a
decisão que foi programada e interfere no processo através dos atuadores, além de
receber e enviar informações para o sistema de supervisão e operação do processo.
Segundo Mamed (2002), até o fim do século passado, a produção de bens
utilizava exclusivamente a força muscular. Com o advento da Revolução Industrial, a
força muscular cedeu lugar às máquinas. A esse processo foi denominado ‘produção
mecanizada’ porque, nessa situação, o homem era ainda parte ativa, não como
executor da tarefa produtiva, mas como controlador do processo.
Figura 2.3 - Diagrama de blocos de um sistema de automação
As máquinas, porém, foram gradativamente evoluindo, tornando-se cada vez
mais independentes do controle do homem, assumindo tarefas e tomando decisões.
Essa evolução se deu, inicialmente, por meio de dispositivos mecânicos,
hidráulicos e pneumáticos, mas, com o advento da eletrônica, esses dispositivos
foram, aos poucos, sendo substituídos, de tal maneira que, hoje, a microinformática
assumiu o papel da ‘produção automatizada’. A partir daí, o homem, utilizando
técnicas de inteligência artificial, materializadas pelos sistemas computadorizados,
instrui um processador de informações que passa a desenvolver tarefas complexas
e tomar decisões rápidas para controle do processo.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
25
Assim, a automação industrial passou a oferecer e gerenciar soluções desde
o nível do chão de fábrica e volta o seu foco para o gerenciamento da informação.
Desta forma, o grau de complexidade de um sistema de automação pode
variar enormemente. Os sistemas mais simples ainda mantêm uma forte
participação do homem no processo. Os sistemas mais sofisticados basicamente
dispensam a interferência do homem, a não ser como gerenciador do processo.
Segundo Silveira & Santos (1998), “todo o sistema dotado de retroação e
controle implica na presença de três componentes básicos, cuja principal
característica é a realimentação para que seja feito o controle”. Esses componentes
básicos são: Sensor, atuador, controlador – CLP.
2.2.1. CLP - Controlador Lógico Programável
Para Mamed (2002), “os CLPs são dispositivos que permitem o comando de
máquinas e equipamentos de maneira simples e flexível, possibilitando alterações
rápidas no modo de operá-los, por meio da aplicação de programas dedicados, que
ficam armazenados em sua memória”.
Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), CLP é um
equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações
industriais. Já, segundo a National Electrical Manufacturers Association (NEMA),
CLP é um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o
armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como
lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar,
através de módulos de entradas e saídas, vários sensores e atuadores.
Esse equipamento foi batizado, nos Estados Unidos, como Programmable
Logic Controller (PLC), em português Controlador Lógico Programável (CLP) e este
termo é registrado pela Allen Bradley (fabricante de CLP).
Segundo Mamed (2002), os Controladores Lógicos Programáveis podem ser
empregados em diversos setores da indústria. Utilizados sozinhos ou acoplados a
outras unidades, no caso de projetos que ocupam grandes extensões, eles operam
sincronizadamente fazendo todo o controle do processo. Nesses casos, “a
automação assume uma arquitetura descentralizada, dividindo-se a
responsabilidade do processo por várias unidades de CLP, localizadas em diferentes
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
26
pontos estratégicos da instalação”.
A figura 2.4 mostra através do diagrama de blocos, como o CLP atua no
sistema: os sensores alimentam o CLP (processador), a cada instante, com os
dados (variáveis de entrada) informando, através de níveis lógicos, as condições em
que se encontram. Em função do programa armazenado em sua memória, o CLP
atua no sistema por meio de suas saídas. As variáveis de saída executam, a cada
instante, os acionamentos dos atuadores no sistema, (NATALE, 1995).
MemóriaProcessador
Barramento
(dados, endereços, controle)
Entradas Saídas
Fonte
Figura 2.4 – Diagrama de blocos simplificado de um CLP
Fonte: WEG (2002)
Segundo esse mesmo autor, “o processamento é feito em tempo real, ou seja,
as informações de entrada são comparadas com as informações contidas na
memória, as decisões são tomadas pelo CLP, os comandos ou acionamentos são
executados pelas saídas, tudo concomitantemente com o desenrolar do processo”.
2.2.2. Sensores e atuadores
Sensor é definido como sendo um dispositivo sensível a fenômenos físicos,
tais como: temperatura, umidade, luz, pressão, entre outros. Por meio dessa
excitação, os sensores enviam um sinal correspondente para os dispositivos de
medição e controle (SILVEIRA, 1998). O sinal de um sensor pode, entre outras
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
27
funções, ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle.
Os atuadores são dispositivos que aplicam uma determinada força de
deslocamento ou outra ação física, definida pelo sistema controlador, por meio de
uma ação de controle. Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou
de acionamento misto. Como exemplo, há: válvulas e cilindros pneumáticos, válvulas
proporcionais, motores, aquecedores, entre outros (SILVEIRA, 1998).
Enquanto os sensores captam informações sobre o processo, os atuadores
interferem neste mesmo processo, gerando assim, o controle.
Para um bom funcionamento de qualquer sistema de controle é necessário
que os sensores e atuadores sejam escolhidos e instalados adequadamente. Todo o
mapeamento do processo de produção pode ficar comprometido caso esses
elementos da automação sejam relegados a segundo plano.
2.3. ARQUITETURAS DE REDES INDUSTRIAIS
Nos processos produtivos, vem-se verificando uma tendência em substituir
sistemas com processamento centralizado, geralmente baseado em equipamentos
de grande porte, por sistemas distribuídos, compostos por diversos similares de
menor porte. Porém, o controle distribuído somente será viável se todos os
integrantes do sistema puderem trocar informações entre si de modo rápido e
confiável.
Para atender a essa necessidade, surgiram diversos tipos, padrões,
protocolos em redes de comunicação industrial.
Rede de comunicação industrial é o conjunto de equipamentos e softwares
utilizados para propiciar o trânsito de informações da produção, entre os diversos
níveis hierárquicos de um processo industrial.
As informações (dados) são transmitidas em quadros ou pacotes, que são
uma seqüência de bytes definida por um protocolo de rede. Os dados podem
compor um conjunto maior chamado de mensagem. Se a mensagem tiver um
tamanho maior que um quadro, necessita ser fragmentada. Nas redes industriais,
como se trata de informação de sensores na maioria das vezes, a quantidade de
bytes a transmitir em cada mensagem é pequena (em média, na ordem de algumas
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
28
dezenas de bytes). Assim, um quadro pode transportar uma mensagem inteira.
Diferentemente das redes locais de escritório, em que as redes estão
instaladas em ambientes limpos e normalmente com temperaturas controladas, no
caso de redes industriais, o ambiente nos quais as redes são instaladas é
usualmente hostil, uma vez que ruídos eletromagnéticos de grande intensidade
podem estar presentes. Por exemplo, no acionamento de motores elétricos, em
função das altas correntes envolvidas, radiações eletromagnéticas são geradas,
podendo induzir ruídos nos equipamentos eletrônicos nas proximidades. Além disso,
ambientes industriais podem apresentar temperaturas e umidades elevadas, dois
aspectos prejudicais aos componentes utilizados em sistemas computacionais e de
comunicação. Desta forma, equipamentos para redes industriais são, em geral,
especialmente construídos para trabalhar nessas condições adversas e os
protocolos de comunicação adotados também devem considerar aspectos de
segurança e disponibilidade do sistema desenvolvido (PEREIRA & LAGES, 2004).
Para se conceber uma solução na área de automação, o primeiro passo é
projetar a arquitetura do sistema, organizando seus elementos vitais: remotas de
aquisição de dados, CLP, instrumentos, sistema de supervisão, etc., em torno de
redes de comunicação de dados apropriadas. A escolha da arquitetura determinará
o sucesso de um sistema em termos de alcançar os seus objetivos de desempenho,
modularidade, expansibilidade, etc. (SEIXAS, 2004).
Para esse mesmo autor, uma das arquiteturas mais praticadas é a que define
hierarquias de redes independentes: rede de informação, rede de controle e rede de
campo.
2.3.1 Rede de informação Corporativa
O nível mais alto dentro de uma arquitetura é representado pela rede de
informação. O tráfego é baseado em dados sem criticidade temporal, caracterizada
pelo grande volume de dados, porém com baixa freqüência de transmissão. Nessas
redes, a velocidade de transmissão é um fator importante, porém a latência (tempo
entre o envio e recebimento dos pacotes de dados) é uma variável incerta.
Exemplos são as redes em sistemas de gestão corporativos em que há
grande tráfego de dados.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
29
Em grandes corporações, é natural a escolha de uma rede de grande
capacidade para interligação dos sistemas de ERP (Enterprise Resource Planning),
Supply Chain (cadeia de suprimentos), e EPS (Enterprise Production Systems).
2.3.2 Rede de controle Industrial
Interliga os sistemas industriais de nível 2 ou servidor SCADA aos sistemas
de nível 1 representados por CLPs ou remotas de aquisição de dados.
O tráfego é baseado em dados em que a criticidade temporal pode ou não ser
essencial, normalmente com volume médio de dados e freqüência de transmissão
em função de eventos do sistema.
Nessa rede, os aspectos mais importantes são a disponibilidade e a
imunidade a falhas.
2.3.3 Rede de campo
A rede de campo permite a interação dos diversos dispositivos de
monitoração e controle presentes em uma planta de produção, através de aquisição
de variáveis e atuação sobre equipamentos. Por meio dela esses dispositivos trocam
informações e coordenam o controle dessa planta.
O tráfego é baseado em dados na maior parte com criticidade temporal,
caracterizada pelo pequeno volume de dados entre dispositivos, mas com freqüência
de transmissão elevada. Exemplo clássico é o envio de temperatura de um
dispositivo de campo (sensor) para o CLP, onde o valor será utilizado no controle de
temperatura de determinada área (atuador).
Nessa rede, a latência entre o envio do pacote e o recebimento do mesmo
obedece a valores máximos bem definidos.
2.3.4 Exemplo de arquitetura para rede industrial
Com base nas definições de Seixas (2004), uma configuração de arquitetura
para rede industrial com essas características pode ser vista na figura 2.5. Nessa
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
30
figura, observa-se que as estações clientes SCADA se comunicam com seus
servidores SCADA e com cliente e servidores ERP através da rede de informação. A
estação servidor SCADA se comunica com o CLP através da rede de controle. O
CLP se comunica com os sensores e atuadores através da rede de campo. Do ponto
de vista de segurança, é favorável isolar o tráfego de controle do tráfego de
informação através de equipamentos roteadores de rede.
As redes de controle e informação também podem estar fundidas em uma
rede única, rede Ethernet, por exemplo. Porém, como o tráfego na rede de controle é
caracterizado por mensagens curtas e muito freqüentes e é de natureza diversa do
tráfego na rede de informação, em geral representada por arquivos maiores
transmitidos com baixa freqüência, tornando os requisitos de desempenho e
segurança das duas redes diferentes, Seixas (2004), não recomenda esta fusão.
Figura 2.5 – Exemplo de Arquitetura de uma Rede Industrial
2.4. PROTOCOLOS DE REDES INDUSTRIAIS MAIS USADOS
O protocolo de comunicação de uma rede é um conjunto de regras e
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
31
convenções de linguagem que permite a conversação e troca de informação entre
sistemas (TANEMBAUM, 1997).
Os protocolos, atualmente adotados em redes industriais, são baseados em
documento desenvolvido pela ISO (International Standards Organization). Esse
documento, denominado OSI (Open System Interconnection) é um modelo de
referência para o desenvolvimento de protocolos de comunicação.
A estrutura do modelo de redes OSI é baseada em sete camadas. Softwares
desenvolvidos com base nesse modelo são ditos abertos, pois qualquer fabricante
de equipamentos pode usá-los para desenvolvimento de produtos para serem
empregados em rede.
A figura 2.6 apresenta o modelo OSI, onde se verifica que a camada 1 contém
o meio físico de transmissão (cabos condutores, fibra óptica ou atmosfera) e a
interface de rede, que converte a grandeza física em valor digital. Para redes
industriais, o meio físico é geralmente um condutor elétrico, compondo um
barramento. Existem barramentos virtuais no caso de redes sem fio (wireless).
Figura 2.6 – Modelo OSI
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
32
Isto significa que, conhecendo-se exatamente as regras e convenções
definidas num dado protocolo, em princípio, pode-se construir um dispositivo capaz
de trocar informações usando aquele protocolo. Neste contexto, segundo Pereira &
Lages (2004), pode-se diferenciar entre dois tipos de protocolos: protocolos
proprietários e protocolos abertos.
Os primeiros são protocolos definidos por uma empresa e que não são
disponibilizados a usuários e outros fabricantes de dispositivos. Neste caso, somente
dispositivos da empresa em questão são capazes de se comunicarem uns com os
outros. Os protocolos abertos, pelo contrário, são aqueles cujas regras e
convenções são amplamente divulgadas, geralmente na forma de uma norma
técnica internacional, nacional ou regional. Neste caso, diversos fabricantes podem,
em princípio, desenvolver sistemas computacionais que permitam o interfaceamento
de seus dispositivos com outros que entendam o mesmo protocolo.
Uma das principais vantagens da adoção de protocolos abertos é a
independência de fabricantes, ou seja, quanto mais empresas tiverem produtos
disponíveis em um protocolo, menos dependente fica a automação de uma empresa
específica. Tal aspecto tende a levar a uma redução dos custos dos dispositivos em
função da concorrência que naturalmente surge no mercado.
Historicamente, tem-se que os primeiros sistemas de automação tendiam a
utilizar somente protocolos proprietários, uma vez que empresas de automação
vendiam soluções completas, muitas vezes, com dispositivos de somente um
fabricante. Atualmente, existe uma forte tendência à adoção de protocolos abertos.
2.4.1. Interface RS-485
É o padrão de interface física mais utilizado em redes industriais. A
comunicação serial funciona de modo análogo ao de uma porta serial de
microcomputador (RS-232). A diferença entre os dois é a forma como o sinal é
transmitido: de modo diferencial na RS-485 e como nível lógico na RS-232.
Como o modo diferencial não utiliza o sinal de terra (GND) para se ter níveis
lógicos, diminuem-se o efeito de ruídos externos. Como vantagem, pode-se ter um
comprimento maior de cabos.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
33
Outra diferença está na capacidade da RS-485 compor barramentos,
permitindo a interligação de dispositivos em rede, enquanto que a RS-232 foi
projetado para ligar somente dois terminais no modo ponto a ponto. Os protocolos
PROFIBUS, MODBUS e FIELDBUS FOUNDATION utilizam a RS-485 como
interface física, por isso, existe uma grande disseminação do padrão.
Protocolos do tipo RS-485 e RS-232 transmitem até 8 bits de dados por
quadro e têm o mesmo formato de quadro usado na porta serial via UART dos
microcomputadores. O sincronismo é feito quando se detecta o início do quadro,
sem a necessidade de se transmitir um sinal de clock para sincronizar a transmissão
dos bits. Os protocolos, como PROFIBUS e MODBUS, utilizam-se da camada física
RS-485 ou RS-232 e acrescentam uma quantidade maior de bits por quadro,
utilizando mecanismos mais complexos para manter a integridade dos dados.
2.4.2. Protocolo de Comunicação MODBUS
Na rede de controle, onde ocorre a comunicação serial entre o PC e o CLP , o
protocolo de comunicação MODBUS é muito utilizado (BERLANDA, 2004). Esse
protocolo é usualmente implementado com interface serial RS-232 ou RS-485 sobre
uma variedade de meios de transmissão (cabos, fibras, rádio, celular, etc.).
O MODBUS é um protocolo de transferência de mensagens da camada de
aplicação, localizado no nível sete do modelo de referência OSI, que provê
comunicação no modo mestre/escravo entre dispositivos conectados em diferentes
tipos de redes e barramentos.
MODBUS é um protocolo do tipo requisição/resposta e oferece serviços
especificados por códigos de funções. É definida uma estrutura de mensagens
composta por bytes, a qual os dispositivos são capazes de reconhecer,
independentemente do tipo de rede utilizada (MEDEIROS, 2004).
Durante a comunicação em uma rede MODBUS, o protocolo determina como
cada controlador sabe seu endereço, reconhece uma mensagem endereçada,
determina o tipo de ação a ser tomada e extrai qualquer dado ou outra informação
contida na mensagem. Se sua resposta é solicitada, o CLP construirá a mensagem
de resposta e a mandará, usando o protocolo MODBUS.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
34
Nesse protocolo, os equipamentos comunicam-se usando uma técnica
mestre-escravo, sobre a qual um dispositivo (mestre) pode iniciar as transações
(chamadas de queries). Os outros dispositivos (escravos) respondem, fornecendo os
dados solicitados pelo mestre, ou realizando a ação solicitada na pergunta.
O protocolo MODBUS estabelece o formato da pergunta, que contém o
endereço do dispositivo ou broadcast, um código de função definindo a ação
solicitada, os dados para serem mandados em um campo de checagem de erro. A
resposta do escravo também é construída em MODBUS. Ela contém campos
conforme a ação, dados a serem retornados e um campo de checagem de erro. Se
um erro ocorrer no recebimento da mensagem, ou se o escravo está incapaz de
realizar a ação solicitada, o escravo construirá uma mensagem de erro e a enviará
com resposta.
2.4.3. Protocolo PROFIBUS
PROFIBUS, uma sigla para Process Field Bus (Barramento de Processos de
Campo), é um protocolo industrial baseado em barramentos seriais. Representa, na
verdade, um conjunto de três protocolos de comunicação denominados de Profibus-
DP (Decentralized Periphery), Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification) e
Profibus-PA (Process Automation). A versão PA é voltada para aplicações em
processos contínuos, enquanto que as versões DP e FMS são voltadas para as
áreas de sistemas de manufatura e automação industrial em geral (PEREIRA &
LAGES, 2004).
O acesso ao meio físico é realizado por dois métodos, comunicação
mestre/escravo e anel lógico de passagem de token entre os mestres. Toda a
comunicação é inicializada por um mestre, os escravos apenas respondem às
requisições. Portanto o escravo é um elemento passivo, pois, o início de uma
comunicação nunca partirá de um escravo.
Esse protocolo, apesar de ser aberto, não disponibiliza gratuitamente a
documentação.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
35
2.4.4 Protocolo Ethernet
O padrão Ethernet é um dos mais populares e difundidos nas redes
corporativas instaladas atualmente. Ao contrário dos protocolos industriais como
MODBUS e PROFIBUS que são determinísticos, no padrão Ethernet ocorrem
colisões de dados na rede, tornando o tempo de resposta não determinístico. Isto do
ponto de vista de automação não é recomendável, pois a falta de definição do tempo
de resposta de uma informação pode comprometer o desempenho do sistema que
está sendo controlado.
Segundo Pereira & Lages (2004), o protocolo Ethernet não foi concebido para
aplicações em automação industrial, não apresentando algumas características
desejáveis em ambientes de controle em tempo real, como determinismo e
segurança na transmissão dos dados. No entanto, Ethernet é provavelmente a
tecnologia de rede mais difundida, que permite uma grande escala de produção e
disponibilidade, e, por conseqüência, baixo custo, tornando-se uma alternativa
bastante atrativa para interconexão de dispositivos de automação.
2.4.5. Protocolo FIELDBUS FOUNDATION
FIELDBUS FOUNDATION é uma técnica de comunicação digital para rede de
campo que conecta o CLP com equipamentos “fieldbus” como sensores, atuadores e
controladores. O Fieldbus é uma rede de trabalho local para instrumentos usados
em processos e automação de mão de obra com capacidade embutida para
distribuir o controle da aplicação através da rede de trabalho. Os dispositivos podem
ser ligados à rede e configurados de acordo com a necessidade do usuário, desde
sistemas pequenos até plantas inteiras (CORETTI, 2002).
2.5. SISTEMAS SCADA
Os sistemas SCADA (Supervisory Control and Acquisition Data System) são
aplicativos que permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações do
processo produtivo, as informações podem ser visualizadas por intermédio de
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
36
quadros sinóticos animados com indicações instantâneas das variáveis de processo
(vazão, temperatura, pressão, volume, etc.).
Os dados são provenientes do controle do CLP, podendo os softwares
supervisórios gerenciar processos de qualquer tamanho ou natureza. Estes auxiliam
no processo de implantação da qualidade e de movimentação de informações para
gerenciamento e diretrizes. Desta forma, a escolha do software de supervisão é
muito importante na estratégia de automação de uma empresa.
Segundo Boyer (1993), um sistema SCADA permite a um operador, em uma
localização central, controlar um processo distribuído em lugares distantes, como,
óleo ou gás natural, sistemas de saneamento, ou complexos hidroelétricos,
estabelecer set-point ou controlar processos distantes, abrir ou fechar válvulas ou
chaves, monitorar alarmes, e armazenar informações de processo.
De acordo com esse mesmo autor, quando as dimensões do processo
tornam-se muito grandes, os benefícios, em termos de redução de custos de visitas
rotineiras, podem ser verificados, porque torna desnecessária a presença do
operador ou a visita em operação normal.
Hoje, os sistemas SCADA podem ter uma arquitetura aberta, ligada em rede,
de forma a permitir que o fluxo de dados do processo ultrapasse o limite das paredes
da empresa e percorra o mundo através dos meios de comunicação existentes.
Num ambiente industrial, esses sistemas auxiliam na gestão da produção,
porque possibilitam:
• Comunicações significativamente melhores entre todas as áreas da
operação;
• Um melhor planejamento da produção;
• Um melhor rastreamento das ordens de produção, incluindo listas de
materiais, além de uma melhor administração do plano de produção;
• Um acompanhamento mais preciso dos níveis de estoque alocado e real de
matérias-primas e produtos acabados e
• Uma melhor administração e manutenção dos equipamentos da planta,
incluindo o acompanhamento de defeitos e a programação de ordens de trabalho
para manutenção.
Caetano et al (aput FAVARETTO, 2001) apresentam uma solução
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
37
denominada Sistemas de Monitoramento, Supervisão e Diagnóstico da Produção,
composta dos seguintes módulos funcionais:
• Monitoramento da produção: faz o sensoreamento e coleta em tempo
real dos dados de produção;
• Supervisão da produção: análise dos dados coletados;
• Repositório de informações da produção: armazena as informações da
produção e
• Diagnóstico do chão de fábrica: trata as informações tecnológicas.
Segundo Rodrigues & Coelho (2000), os sistemas SCADA podem ser
subdivididos em:
a) Sensores e Atuadores: são dispositivos conectados aos equipamentos
controlados e monitorizados pelos sistemas SCADA.
Os sensores convertem parâmetros físicos, tais como velocidade, níveis de
água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota.
Os atuadores são usados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando
determinados equipamentos.
b) Estações remotas: O processo de controle e aquisição de dados inicia-se
nas estações remotas, CLP (Controlador Lógico Programável) e RTU (Remote
Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos a que estão
associados e o respectivo controle.
O CLP apresenta como principal vantagem a facilidade de programação e
controle de I/O. Por outro lado, o RTU apresenta boa capacidade de comunicação,
incluindo comunicação via rádio, estando especialmente indicados para situações
adversas onde a comunicação é difícil.
Atualmente, nota-se uma convergência no sentido de reunir as melhores
características desses dois equipamentos: a facilidade de programação e controle do
CLP e as capacidades de comunicação do RTU.
c) Redes de comunicações: A rede de comunicação é a plataforma através da
qual a informação de um sistema SCADA é transferida. Tendo em consideração os
requisitos do sistema e as distâncias a cobrir, as redes de comunicação podem ser
implementadas, entre outros, através dos seguintes meios físicos:
9 Cabos - Os cabos estão indicados para a cobertura de pequenas
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
38
distâncias, normalmente em fábricas, não sendo adequados para
grandes distâncias devido ao elevado custo da cablagem, instalação e
manutenção;
9 Linhas Discadas - As linhas discadas podem ser usadas em sistemas
com atualizações periódicas, que não justifiquem conexão permanente.
Quando for necessário comunicar com uma estação remota é efetuada
uma ligação para o respectivo número;
9 Linhas Dedicadas - As linhas dedicadas são usadas em sistemas que
necessitam de conexão permanente. Essa conexão, no entanto, é uma
solução cara, pois é necessário o aluguel permanente de uma linha de
dados ligada a cada estação remota e
9 Rede Wireless - Esses dispositivos são usados em locais onde não
estão acessíveis linhas discadas ou dedicadas. Por vezes, em
situações onde uma ligação direta via rádio não pode ser estabelecida
devido à distância ou topologia, sendo necessária a instalação de
dispositivos repetidores.
d) Estações de monitoração central
As estações de monitoração central (servidor SCADA) são as unidades
principais dos sistemas SCADA, responsáveis por recolher a informação gerada
pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados. Podem
estar centralizadas num único computador, ou distribuídas por uma rede de
computadores de modo a permitir a partilha de informação proveniente do servidor
SCADA.
A interação entre os operadores e as estações de monitoração central
(servidor SCADA) é efetuada através de uma Interface Homem-Máquina, em que é
comum a visualização de um diagrama representativo da instalação fabril, a
representação gráfica das estações remotas, os valores atuais dos instrumentos
fabris e a apresentação dos alarmes ativos.
Sob esta perspectiva a figura 2.7 mostra os componentes básicos de um
sistema SCADA, desde a estação de monitoração central, onde está o software de
supervisão, passando pela rede de comunicação, CLP, sensores e atuadores até as
máquinas e equipamentos (processo).
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
39
CLP
ESTAÇÃO DE MONITORAÇÃO
REDE DE COMUNICAÇÃO
SENSORES E
ATUADORES
Figura 2.7 - Componentes de um sistema SCADA
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
40
Capítulo 3
COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO – WIRELESS
A utilização de equipamentos em redes de comunicação de dados obedece
às necessidades de cada projeto, como: aplicações, distâncias, volume de dados,
quantidade de equipamentos na rede, tempo de resposta, etc. Assim, para Soares
(1995), um sistema de comunicação de dados se constitui de “arranjo topológico
interligando os vários módulos processadores através de enlaces físicos (meios de
transmissão) e de um conjunto de regras com o fim de organizar a comunicação
(protocolos)”.
Para as empresas que precisam transmitir dados on-line dos processos
produtivos sem depender da infra-estrutura de comunicação física existente, a
solução pode estar na comunicação sem fio como meio de transmissão, em
substituição aos cabos condutores de eletricidade ou fibra ótica.
A rede wireless (wire=fio, less=sem) é um sistema de transmissão de dados
flexível que pode ser utilizado como alternativa para as redes cabeadas. É uma
tecnologia que permite a conexão entre equipamentos sem uma conexão física. O
princípio de funcionamento se baseia na transmissão de dados, utilizando a
propagação das ondas eletromagnéticas. Entretanto, equipamentos de comunicação
de dados wireless podem utilizar-se também de luz infravermelha ou laser, apesar
das ondas de rádio (eletromagnéticas) ser o meio mais difundido (PROENÇA, 2002).
Toda a comunicação sem fio é baseada no seguinte princípio: quando os
elétrons se movem, criam ondas eletromagnéticas que podem se propagar através
do espaço livre. O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética
é chamado de freqüência que é medida em Hz. Quando se instala uma antena com
o tamanho apropriado, as ondas eletromagnéticas podem ser transmitidas e
recebidas com eficiência por receptores localizados a uma distância que depende de
vários fatores, como por exemplo: freqüência, potência do transmissor, etc.
(TANENBAUM, 1997).
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
41
O volume de informação que uma onda eletromagnética é capaz de
transportar está diretamente relacionada a sua largura de banda. Quanto maior a
largura de banda, mais informações podem ser enviadas num dado intervalo de
tempo. A largura de banda pode ser expressa em bits por segundo (bps), bytes por
segundo (Bps) ou ciclos por segundo (Hz).
Banda passante ou largura de banda de um sinal é o intervalo de freqüência
que compõe este sinal, ou seja, a diferença entre a maior e a menor freqüência.
A definição de banda curta (narrow band) e banda larga (broadband) alteram-
se de acordo com o desenvolvimento tecnológico. Na transmissão de dados via
rádio a banda larga situa-se na faixa dos 128 kbps ou superior.
Segundo o teorema apresentado por Shannom-Hartley, em 1949, a
capacidade do canal em transmitir uma taxa de C bits por segundo é representada
pela equação 3.1 e depende da largura de faixa do canal e da relação sinal ruído.
C = B.log
2
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
N
S
1
[bps] (3.1)
Onde:
B é a largura de faixa do canal em Hz;
S é a potência do sinal;
N é a potência do ruído.
Também é importante citar a atenuação das ondas no espaço livre que
aumenta com a freqüência, ao nos afastarmos da fonte de sinal, a mesma
quantidade de energia é distribuída em uma área maior.
A atenuação no espaço livre pode ser calculada pela equação 3.2.
Ao(dB) = 20 log
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
λ
π
D4
(3.2)
Onde:
D é a distância em relação ao ponto de irradiação em metros;
λ é o comprimento de onda em metros;
Ao é a atenuação no espaço livre em dB.
Conforme divisão do espectro eletromagnético, mostrado na figura 3.1, a faixa
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
42
de rádio, a microonda, o raio infravermelho e os trechos de luz visíveis do espectro
podem ser usados na transmissão de informações, desde que sejam modulados,
utilizando-se de uma técnica adequada.
Figura 3.1. – Divisão do espectro eletromagnético
Fonte: Tanenbaum, 1997
O espectro ainda pode ser classificado em relação à freqüência, conforme
mostrado na tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Classificação dos sinais em relação à freqüência
DENOMINAÇÃO FREQÜÊNCIA COMPRIMENTO DE ONDA
Ondas longas -LF 10 kHz a 500 kHz 30 km a 0,60 km
Ondas médias -MF 500 kHz a 3 MHz 0,60 km a 100 m
Ondas curtas - HF 3 MHz a 30 MHz 100 m a 10 m
VHF 30 MHz a 300 MHz 10 m a 1 m
UHF 300 MHz a 3 GHz 1 m a 10 cm
SHF 3 GHz a 30 GHz 10 cm a 1 cm
Verifica-se na tabela 3.1 que quanto maior a freqüência, menor o
comprimento de onda e, por conseqüência, o que exige um menor tamanho das
antenas. Isto possibilita, para uma mesma área de antena, obter maiores ganhos da
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
43
antena em altas freqüências. O maior ganho das antenas (mantendo-se a área
utilizada) possibilita compensar a maior perda das ondas no espaço livre para as
altas freqüências.
O maior ganho das antenas implica que elas sejam mais diretivas,
necessitando-se de um ajuste mais preciso de posicionamento.
A seguir estão descritas algumas características sobre a transmissão de
dados nas faixas de freqüências com tecnologia de comunicação de dados
disponíveis atualmente:
a) Faixas de até 300 MHz - Ondas eletromagnéticas nas faixas de até 300
MHz são relativamente fáceis de gerar, percorrem longas distâncias e possuem uma
boa penetração em prédios. Por isso, são comumente utilizadas para comunicação,
seja em ambiente fechado ou aberto. O principal problema relacionado à utilização
dessas faixas em comunicação de dados, diz respeito à baixa largura de banda que
oferecem, transportando um volume baixo de informação.
b) Faixas de 300 MHz até 10 GHz - Acima de 300 MHz, as antenas de
transmissão e recepção devem ser alinhadas com o máximo de precisão, porque à
medida que se aumenta a freqüência, mais o comprimento de onda se
aproxima/assemelha ao da luz, o que exige maior diretividade entre as antenas. Por
isso o posicionamento entre as mesmas torna-se mais preciso. Quando á distância
entre duas torres aumenta é preciso instalar repetidores. Com o aumento da largura
de banda essas faixas tornam-se mais apropriadas para a comunicação de dados.
Os sinais transmitidos na faixa de UHF, nas freqüências de 420-450 MHz,
902-928 MHz e 2400-2483,5 MHz são as mais utilizadas em aplicações industriais.
As faixas de freqüências de 902-907,5 MHz, 915-928 MHz, 2400-2483,5 MHz, 5725-
5875 MHz e 24,00-24,25 GHz são denominadas de Aplicações Industriais,
Científicas e Médicas (ISM), faixas liberadas pela ANATEL, não havendo a
necessidade de autorização formal do órgão para funcionamento do link. Essas
faixas, também, são usadas por dispositivos com tecnologia de espalhamento
espectral (spread spectrum) (ATOS, 2000).
c) Faixa de infravermelho – As ondas infravermelhas são usadas em larga
escala na comunicação de dados de curto alcance, como, por exemplo, controles
remotos. Essas ondas são altamente direcionais, e os equipamentos baratos e
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44
fáceis de construir. Essas ondas não atravessam objetos opacos e podem ser
utilizadas somente em ambientes sem a incidência de luz solar.
d) Faixa de luz visível – A comunicação que utiliza raio laser é direcional, e
oferece uma largura de banda muito alta (em função da alta freqüência do espectro
laser utilizado) e a um custo relativamente baixo. O inconveniente é o fato de não
poder se propagar adequadamente em chuva, neve ou neblina, e pela alta
diretividade dos transdutores laser. Também, é muito difícil posicionar o feixe de luz
entre o transmissor e o receptor em links de distâncias superiores a centenas de
metros.
As redes de comunicação wireless, da mesma forma que as redes cabeadas,
dividem-se em:
a) Redes Remotas (WAN) – São redes que cobrem uma ampla área
geográfica, e são utilizadas para transmitir e receber informações entre as
organizações ao longo das cidades, regiões, países e o mundo. As WAN geralmente
são fornecidas pelas empresas concessionárias de telecomunicações.
b) Redes Locais (LAN) – Conectam computadores e outros dispositivos de
processamento de informações dentro de uma área física limitada, como um
escritório, um prédio, uma fábrica ou outro estabelecimento de trabalho.
Tradicionalmente, diversos meios de comunicação têm sido utilizados em
redes WAN e LAN, incluindo microondas, rádio privado, linhas telefônicas, rede de
fibra ótica, rede elétrica, satélite e sistemas de rede proprietárias. A escolha, por um
meio de comunicação específico, é feita principalmente, em função da área de
cobertura, preço da solução e do equipamento, confiabilidade da solução e
facilidade de integração. A importância dada a cada um dos fatores depende da
necessidade da indústria e do cliente em questão (ITELOGY PARTNERS, 2002).
Quando a forma de transmissão escolhida é radiofreqüência, os sinais a
serem transmitidos são modulados sobre uma onda portadora, cujos sinais
recebidos são restaurados através do processo inverso, chamado demodulação do
sinal. A comunicação é normalmente feita por um par de antenas, conforme
mostrado na figura 3.2, em que há um link de comunicação de dados através de
rádio entre duas estações remotas.
O rádio está ligado às antenas que podem ser do tipo omnidirecional ou
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
45
direcional.
Figura 3.2 – Princípio de funcionamento de um rádio enlace
Fonte: ATOS (2000)
A tecnologia de comunicação de dados convencional wireless tem uma
grande tradição de uso bem sucedido na indústria petroquímica, sendo usada
extensivamente na produção de óleo e na distribuição de gás.
A faixa de VHF requer uma antena relativamente grande e é suscetível a
ruído, já na faixa de UHF, o tamanho da antena é menor, e o ruído e a propagação
ionosférica afetam a comunicação com menor intensidade.
3.1.COMPONENTES ESSENCIAIS PARA UMA COMUNICAÇÃO WIRELESS
Os principais componentes para se estabelecer um link de comunicação sem
fio são: Rádio Transmissor (Tx), Linha de Transmissão (LT), Antena Transmissora,
Meio de Propagação, Antena Receptora, Linha de Transmissão (LT) e Rádio
Receptor (Rx). Para a comunicação de dados deve-se incluir em cada rádio um
MODEM, normalmente esses componentes são integrados e denominam-se de
rádio MODEM, conforme ilustra a figura 3.3.
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46
Figura 3.3 Componentes essenciais para comunicação wireless
3.1.1. Rádio MODEM
As características do rádio MODEM definem se a transmissão das
informações terá um alcance de alguns metros ou dezenas de quilômetros e quais
os equipamentos que poderão ser conectados para realizar a comunicação de
dados.
A maioria dos rádios com tecnologia spread spectrum disponível no mercado
tem interface do tipo Ethernet e permite conexão direta com os pontos de rede do
computador (PC-PC), muito utilizado em redes comerciais padrão 802.11b e
802.11g. Outras interfaces disponíveis para os rádios com spread spectrum são RS-
232 e Rs-485, utilizadas em aplicações industriais, principalmente na comunicação
entre PC e CLP.
Adicionalmente, muitos usuários têm hoje uma escolha entre protocolo e
hardware de rádio MODEM. Antes de comparar essas duas alternativas, é útil
verificar qual protocolo de comunicação os CLP utilizam. Esses protocolos foram
criados para o mundo físico e estão transitando muito bem no mundo wireless de
dados (MANNING, 1999).
São diversos os tipos, os fornecedores, a capacidade de transmissão e as
características dos diversos sistemas de rádios, como por exemplo: velocidade de
comunicação, conexão e alcance.
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47
3.1.2. Linha de Transmissão
É uma linha com dois ou mais condutores, isolados por um dielétrico que tem
por finalidade fazer com que uma onda eletromagnética se propague de modo
guiado, cuja propagação deve ocorrer com a menor perda possível de sinal.
As linhas de transmissão podem ser construídas de diversas maneiras, como:
cabos paralelos, pares trançados, cabos coaxiais, guias de onda, fibras ópticas, etc.
Uma linha de transmissão tem a função de transportar a energia
eletromagnética com o mínimo de perdas. Porém, devido às características
inerentes de cada linha (cabos coaxiais, por exemplo), o sinal atenua ao longo do
caminho que percorre dentro da LT.
A perda no cabo entre a unidade de rádio e a antena deve ser considerada no
cálculo do link. A perda no cabo de transmissão em 2,4 GHz é aproximadamente
seis vezes mais alta do que em 900 MHz. Por esse motivo, em sistemas de 2,4 GHz,
o rádio MODEM deve ficar situado perto da antena ou no mesmo conjunto físico da
antena (MAES et al, 1999).
3.1.3. Antenas
Cada rádio enlace deve ter uma antena apropriada para se comunicar. As
antenas podem ser internas ou externas, omnidirecionais ou direcionais e também
se diferenciam pelo ganho. Quanto maior for a concentração de sinal maior o ganho
e maior a distância coberta.
As antenas de rádios utilizadas para spread spectrum são de dois tipos:
omnidirecionais e direcionais. As antenas omnidirecionais irradiam igualmente em
todas as direções. Em geral, consistem em um único elemento reto e perpendicular
ao plano de terra e nenhum alinhamento é necessário. As antenas direcionais (em
geral do tipo Yagi) focalizam a energia irradiada ou recebida e amplificam os sinais
eletromagnéticos em uma direção principal.
O diagrama de irradiação de uma antena é a representação do ganho da
antena em função da direção. Para melhor visualização, é normalmente
representado pela distribuição de energia nos planos elétrico e magnético, ditos
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48
plano E e plano H, conforme representados na figura 3.4. A representação gráfica
da forma como a energia eletromagnética se distribui no espaço pode ser
visualizada na forma tridimensional, polar e retangular.
Figura 3.4 – Sentido de propagação de uma onda eletromagnética
a) Antenas direcionais (Yagis): as Yagis são antenas direcionais que possuem
um relativo baixo custo e são de fácil instalação. São utilizadas geralmente em
sistemas ponto a ponto, porém as Yagis de três elementos possuem um ângulo de
abertura de até 120 graus, possibilitando o seu uso em sistemas ponto multiponto.
O ganho da antena Yagi é em função, entre outros fatores, do número de
elementos, na tabela 3.2 apresenta-se o ganho para antenas de 3,7,11 e 25
elementos.
Tabela 3.2 Ganho médio de antenas Yagis em relação a uma antena isotrópica
Número de elementos Ganho médio
3 elementos 6-8 dBi
7 elementos 9,5-12 dBi
11 elementos 13-15 dBi
25 ou mais elementos 15,5-17,2 dBi
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
49
Figura 3.5 – Antena direcional -Yagi
A figura 3.5 mostra a foto de uma antena direcional do tipo Yagi de 7
elementos instalada no topo de uma torre metálica e a figura 3.6, o diagrama de
irradiação eletromagnética, com três formas de visualização, onde se verifica
facilmente o melhor sentido de propagação em função dos lóbulos. O lóbulo principal
(maior) define o campo irradiado pela antena na direção de máxima irradiação. Os
lóbulos também definem a diretividade de uma antena.
A diretividade de uma antena define sua capacidade de concentrar a energia
irradiada numa determinada direção, quanto maior o ganho da antena, mais diretiva
é a antena – o lóbulo é mais “estreito”.
Figura 3.6 - Diagramas de irradiação de antenas Yagis
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50
b) Antenas omnidirecionais: as antenas omnidirecionais são assim chamadas
por possuírem um ganho praticamente constante no diagrama de irradiação
horizontal. São largamente utilizadas em sistemas fixo-móvel ou ponto-multiponto. O
ganho é obtido em relação ao número de dipolos empilhados verticalmente e à
distância entre eles. Pode ser verificado na tabela 3.3. o ganho médio para esse
tipo de antena em função do número de dipolos empilhados.
Tabela 3.3 Ganho médio de antenas Yagis
Número de dipolos Ganho médio
1 dipolo 2,15 dBi
2 dipolos 5,15 dBi
4 dipolos 8,15 dBi
8 dipolos 11,15 dBi
16 dipolos 14,15 dBi
Figura 3.7 – Antena ominidirecional do tipo vertical
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51
A figura 3.7 mostra a foto de uma antena omnidirecional do tipo dipolo de
meia onda instalada no topo de uma torre metálica e a figura 3.8, o diagrama de
irradiação eletromagnética, com três formas de visualização, onde se verifica que o
sentido de propagação no plano horizontal é uniforme, já no sentido vertical, o lóbulo
é mais diretivo em uma direção perpendicular ao dipolo.
Figura 3.8 - Diagramas de irradiação de antenas Omnidirecionais
3.1.4 Meio de Propagação
A máxima distância entre um transmissor e um receptor, para que haja
radiovisibilidade, é definida em função da altura das antenas, conforme equação 3.3
e visualizado no diagrama da figura 3.9.
d = 4,12 ﴾√h1 + √ h2 ﴿ (3.3)
Onde:
d = distância entre as antenas (km);
h1 = altura antena 1 (m);
h2 = altura antena 2 (m).
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52
Figura 3.9 – Cálculo da máxima distância de link de comunicação
Nas situações em que há um obstáculo entre os pontos de comunicação ou a
distância é superior ao alcance dos transmissores, pode-se utilizar repetidores, que
atuam em redirecionar e regenerar o sinal, conforme ilustrado nas figuras 3.10 e
3.11.
Figura 3.10 - Necessidade de repetidores em função do relevo
O local escolhido para instalar um repetidor deve ser de acesso fácil para
manutenção e ter energia elétrica para alimentar os equipamentos.
Em algumas situações, pode-se descobrir que a comunicação proposta a
determinados locais remotos não são possíveis. Os repetidores podem ser usados
para estender o alcance das comunicações a partir de seu ponto de controle. Esse
tipo de repetidor executa a recepção e a transmissão simultâneas (full-duplex) ou em
half-duplex.
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53
LOCAL
REMOTO
LOCAL
REMOTO
LOCAL
REMOTO
CONTROLE
REPETIDOR
Figura 3.11 – Necessidade de repetidores em função da distância
A distância possível de comunicação é calculada também a partir do nível
mínimo de sinal exigido pelo receptor (Rx), através do somatório de diversas
variáveis, corrigindo-as sempre que for necessário e segue a equação 3.4.
Rx = Tx – Pt + Gt – Ao + Gr – Pr (3.4)
Onde:
Rx = Sensibilidade do receptor (dBm);
Tx = Potência de saída do rádio (dBm);
Pt = Perda por atenuação no cabo coaxial na interligação Tx-antena (dB);
Gt = Ganho da antena do transmissor (dBi);
Ao = Atenuação no espaço livre (dB);
Gr = Ganho da antena do receptor (dBi);
Pr = Perda por atenuação do cabo coaxial na interligação Rx-antena (dB).
3.2. TRANSMISSÃO DIGITAL SEM FIO - SPREAD SPECTRUM
Espalhamento espectral (Spread spectrum) é uma tecnologia de transmissão
digital sem fio na qual a energia média do sinal transmitido é espalhada sobre uma
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
54
largura de faixa muito maior do que a largura de faixa que contém a informação. Os
sistemas, empregando tal tecnologia, compensam o uso de uma maior largura de
faixa de transmissão com uma menor densidade espectral de potência e uma
melhora na rejeição aos sinais interferentes de outros sistemas, operando na mesma
faixa de freqüência (ANATEL, 2004).
A comunicação de dados sem fio, que utiliza sinais digitais na transmissão,
apresenta diversas vantagens sobre a analógica (voz e imagem), conforme destaca
Dornan (2001):
a) Redução de ruído: Todos os canais de comunicação estão sujeitos à
interferência estática, um problema particular da rede sem fio. Na forma de
onda analógica, o receptor não consegue distinguir o ruído e o sinal real. A
forma de onda digital é diferente; como é possível ter apenas dois níveis,
qualquer coisa entre esses níveis pode ser descartada automaticamente
pelos receptores ou estações de transmissão.
b) Confiabilidade: Os sinais digitais podem ser codificados com bits extras
chamados checksums. Os checksums são os resultados de um cálculo
matemático, se estiver incorreto, uma parte do sinal precisará ser enviado
novamente. Quanto mais bits extras forem enviados, menor será o espaço
para dados reais, porém significa conexão mais confiável. Existe uma
negociação entre capacidade e confiabilidade, e as pessoas que planejam as
redes sem fio precisam fazer a escolha com base na importância de seus
dados e no tempo necessário para enviá-los novamente.
c) Segurança: Os sinais digitais podem ser criptografados em níveis arbitrários,
dependendo apenas do poder de processamento do transmissor e do
receptor.
d) Temporização: As informações digitais podem ser facilmente armazenadas na
memória do computador, permitindo que um canal de comunicação seja
compartilhado de maneira sofisticada, com os dados sendo mantidos na
memória até poderem ser enviados.
A tecnologia de espalhamento espectral (spread spectrum) é muito utilizada
para interligação de sistemas sem fio com confiabilidade e sigilo. A principal razão
disso é a sua capacidade de codificação, que faz com que seja muito difícil a
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
55
interpretação ou interceptação dos sinais emitidos por equipamentos não
autorizados. Por outro lado, devido à sua própria natureza, os canais de rádio que
operam em espalhamento espectral conseguem funcionar adequadamente em
ambientes agressivos, do ponto de vista eletromagnético, onde os sistemas com
modulação tradicional tendem a falhar. Este é, por exemplo, o caso de ambientes
industriais, saturados por interferências causadas pelo funcionamento de máquinas
e sistemas de comunicação mal dimensionados.
Nos sistemas convencionais de modulação, ocorre uma tentativa de
maximizar a concentração de energia de uma determinada mensagem em uma
banda estreita do espectro.
O sistema de espalhamento espectral toma a direção oposta, espalhando o
sinal por uma faixa muito maior que a faixa original da mensagem. Ou seja, o
espectro de freqüência do sinal codificado é muito maior que o espectro de sinal da
informação. A figura 3.12 ilustra a diferença na banda passante do sinal transmitido
para uma modulação convencional e para modulação em espectro espalhado
(FLEMING, 2001).
Figura 3.12 – Relação entre a banda de espectro de modulação convencional e
spread spectrum
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
56
A tecnologia Spread Spectrum foi desenvolvida originalmente durante a
Segunda Guerra Mundial, pois, os militares procuraram utilizar as ondas da
portadora que se assemelhavam a ruído aleatório, tornando difícil para um
observador até saber se uma comunicação estava sendo realizada. É claro que as
ondas não eram realmente aleatórias, eram combinadas com antecedência, para
que o destinatário pretendido conseguisse decodificar o sinal, o mesmo princípio
utilizado em sistemas modernos de criptografia (DORNAN, 2001).
A técnica de modulação de spread spectrum pode ser implementada através
dos seguintes processos: Salto de Freqüência (Frequency Hopping) e Seqüência
Direta (Direct Sequence) (FLEMING, 2001; OLIVEIRA, 2003; ANATEL, 2004).
3.2.1 Salto de Freqüência (Frequency Hopping Spread Spectrum) – FHSS
Na técnica de spread spectrum, que emprega a tecnologia por saltos de
freqüência, a informação transmitida “salta” de um canal para outro numa seqüência
chamada de pseudo-aleatória. A figura 3.13 representa um sinal em FHSS para um
transmissor de 8 canais, em que se pode verificar uma densidade de potência
constante sendo transmitida em freqüências aleatórias durante um tempo pré-
determinado. Essa seqüência é determinada por um circuito gerador de códigos
“pseudo-randômicos” que, na verdade, trabalha num padrão pré-estabelecido. O
gerador de código deve ser síncrono no transmissor e receptor, o que é obtido por
um sinal piloto de sincronização.
O receptor, por sua vez, deve estar sincronizado com o transmissor, ou seja,
deve saber previamente a seqüência de canais em que o transmissor vai saltar para
poder sintonizar esses canais e receber os pacotes de informações transmitidos. Se
algum canal estiver sofrendo interferência por ruídos, a informação ainda pode ser
recuperada pelo processamento dos outros canais da seqüência dos saltos.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
57
ESPECTRO DE FREQÜÊNCIA
DENSIDADE DE POTÊNCIA
FREQÜÊNCIA PORTADORA
SALTA CANAL POR CANAL
TEMPO
FREQÜÊNCIA
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
f 0
f 2
f 3
f 4
f 5
f 6
f 7
f 1
Figura 3.13 – Frequency Hopping Spread Spectrum
Nos sistemas comerciais, atualmente disponíveis, a eficiência dos sistemas
FHSS baseia-se mais em evitar a interferência do que na supressão da mesma. A
resolução 365 ANATEL prevê que o número mínimo de canais para os saltos de
freqüência seja de 50 na faixa de 902-928 MHz (máxima largura de banda em cada
canal de salto é de 500 kHz). O ganho de processamento para o FHSS é uma
função direta do número de canais de saltos nos quais está sendo espalhada a
informação transmitida.
Como os canais que o sistema utiliza para operação não precisam ser
seqüenciais, a probabilidade de diferentes usuários utilizarem a mesma seqüência
de canais é muito pequena.
3.2.2 Seqüência Direta (Direct Sequence Spread Spectrum) – DSSS
Na técnica de spread spectrum, que emprega a tecnologia de seqüência
direta, o sinal de informação é misturado a um sinal codificador com característica
pseudo-randômica, conhecido como “chip sequence” ou “chip rate”. O sinal
codificador é um sinal binário, gerado numa freqüência muito maior do que a taxa do
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
58
sinal de informação. A saída do modulador conterá, portanto, a informação
espalhada pelo sinal codificador.
O esquema básico do espalhamento espectral em seqüência direta, em que
os dados são misturados, conforme ilustra a figura 3.14, onde um código pulsado
pseudo-aleatório é combinado em um circuito OR exclusivo (XOR) com a seqüência
de dados da informação. Esse sinal combinado é usado para modificar a fase de
uma portadora do canal. As formas de onda, apresentadas na figura 3.14, indicam o
que ocorre na fase da portadora, de acordo com o padrão do “chip rate”.
Figura 3.14 – Direct Sequence Spread Spectrum
No receptor, o sinal de informação é recuperado através de um processo
complementar usando-se um gerador de código local similar e sincronizado com o
código gerado na transmissão.
Em razão da utilização de uma grande largura de banda para transmissão, os
sistemas em seqüência direta dispõem de poucos canais dentro da banda.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
59
Adicionalmente, uma característica dessa técnica é que múltiplos transmissores e
receptores podem ocupar a mesma porção do espectro utilizando códigos diferentes.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
60
Capítulo 4
SISTEMAS WIRELESS SCADA
Para a melhor utilização da tecnologia wireless na automação industrial, deve-
se compreender não apenas o potencial da tecnologia, mas as limitações e
restrições atuais e o potencial de integração nos sistemas SCADA e as vantagens e
desvantagens em relação às redes tradicionais, via linha física.
Considerando a hierarquia de controle de processos industriais, ilustrada na
figura 4.1 e composta de três níveis funcionais:
Nível 1 – Controle e Instrumentação: aquisição de dados, controle e operação
do processo;
Nível 2 – Supervisão: monitoração e operação do processo;
Nível 3 – Estratégico: interface com os processos corporativos da empresa.
Figura 4.1 – Aplicação da tecnologia wireless na pirâmide de
automação industrial.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
61
A tecnologia wireless está sendo utilizada nos níveis um, dois e três, controle,
supervisão e estratégico. No nível 3 (estratégico), utilizam-se a rede Internet e
telefones celulares para realizar a comunicação de dados (SILVA, 2001).
São links de longo alcance que conectam usuários móveis a redes
corporativas e à Internet, por meio de redes de telefonia celular. No Brasil, as
tecnologias mais avançadas nessa categoria são o CDMA 1xRTT e o GSM/GPRS,
com taxas médias de transmissão variando entre 30 kbps e 40 kbps (mesmo ainda
de forma incipiente, o país já conta com padrões mais avançados, como CDMA
1xEV-DO, com transmissão de dados de 2,4 Mbps; e GSM/EDGE, que atinge 384
kbps). As maiores demandas de soluções corporativas envolvem automação de
força de vendas e de serviços de campo, telemetria e localização automática de
veículos (FÉ, 2004).
O principal apelo da utilização de redes de dados, através da telefonia celular,
é a sua cobertura nacional e até mundial, embora com largura de banda mais
reduzida. A desvantagem mais mencionada pelos especialistas é o custo de uso,
uma vez que envolve contrato com operadoras de celular (FÉ, 2004).
A comunicação de dados wireless no nível 2 é realizada através do uso de
equipamentos móveis, utilizando-se protocolos dedicados como RangerLAN2,
OpenAir e IEEE 802.11 (Wi –Fi) e situa-se em um perímetro que vai até 300 m, com
freqüência de transmissão de 2.4 GHz.
Hoje, o padrão Wi-Fi mais usado é o 802.11b - desenvolvido pelo Instituto de
Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE). O 802.11b utiliza a freqüência de 2,4
GHz e compartilha taxas de transmissão de até 11 Mbps. Outro padrão que opera na
faixa 2,4 GHz é o 802.11g, homologado recentemente pelo IEEE. A vantagem dessa
versão, além de sua total compatibilidade com o 802.11b, é a largura de banda bem
maior, de 54 Mbps (FÉ, 2004).
Uma das principais vantagens do Wi-Fi, além da alta taxa de transmissão
(quando comparadas com outras tecnologias sem fio), é que não exige aquisição de
licença junto à ANATEL, podendo ser instalado rapidamente para complementar
redes internas cabeadas ou para eliminar totalmente os fios de uma empresa. Por
outro lado, sua cobertura restrita, a necessidade de utilização de PC nas duas
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
62
pontas do link, além do baixo rendimento em ambientes com muito metal ou paredes
de concreto, estão entre as principais limitações (FÉ, 2004).
A desvantagem da rede Wi-Fi, quando comparada com LAN tradicional com
fios, é a velocidade de transmissão de dados. Se o usuário não necessitar dos 10
Gbps da Ethernet atual, ele pode utilizar as WLAN que oferecem uma capacidade de
até 54 Mbps, suficientes para a maioria dos casos (DORNAN, 2001).
Já no nível 1, utiliza-se principalmente de rádio MODEM, para comunicação
de dados sem fio com o nível 2 , utilizando a freqüência de 406 à 430 MHz, 902 à
928 MHz e 2.4 GHz, com alcance de até 50 km. Na figura 4.2, está ilustrada uma
aplicação de um sistema SCADA utilizando como meio de transmissão rádio
MODEM na configuração ponto multi-ponto. O software de supervisão está
localizado no computador, situado em uma sala de controle e supervisiona e controla
várias estações remotas ao mesmo tempo.
CLP
CLP
CLP
CLP
CLP
CLP
RS-232 ou 485
RS-232 ou 485
Figura 4.2 - Sistema wireless SCADA Ponto Multiponto
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
63
Na figura 4.3, está representado o esquema básico de funcionamento de um
sistema wireless SCADA, através de uma configuração ponto a ponto, destinado ao
controle e supervisão de uma única estação remota.
Figura 4.3 - Sistema wireless SCADA Ponto a Ponto
Através das figuras 4.2 e 4.3, pode-se diferenciar a comunicação ponto a
ponto da comunicação ponto multi-ponto, pelo número de dispositivos
interconectados pelo meio físico de transmissão. Na comunicação ponto a ponto,
conforme o próprio nome já indica, um dispositivo comunica-se diretamente com
outro através de um meio físico, normalmente de uso dedicado para a interligação,
conectando o transmissor ao receptor.
Já na comunicação ponto multi-ponto um
dispositivo pode comunicar-se simultaneamente com diversos outros dispositivos.
A tabela 4.1 apresenta um comparativo entre a tecnologia rádio MODEM,
utilizada em sistemas wireless SCADA e outras tecnologias de comunicação sem fio
que estão em uso. Dentre as tecnologias citadas, não foram apresentadas na tabela
as características da comunicação sem fio através de infravermelho e Bluetooth, por
estas não serem utilizadas em sistemas SCADA, principalmente pelo baixo alcance
de comunicação, aproximadamente 10 metros.
Comparando as características das redes LAN 802.11b com a comunicação
de dados através de celular e rádio MODEM em aplicações SCADA, conclui-se que:
a) O baixo alcance e a necessidade de PC nas duas pontas do link diminuem
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
64
muito a possibilidade da utilização das redes LAN 802.11b, apesar de ter a melhor
taxa de transmissão de dados;
b) O custo mensal de transmissão de dados, a falta de cobertura ou
disponibilidade em algumas localidades e a falta de determinismo no tempo de envio
de um pacote de dados, praticamente inviabilizam a aplicação da comunicação por
celular em sistemas SCADA, porém é uma opção interessante em função da
cobertura nacional;
c) O rádio MODEM apresenta um alcance significativo, velocidade de
transmissão compatível com a necessidade de comunicação entre PC e CLP,
segurança e determinismo no envio de dados da produção e não apresenta custo de
comunicação de dados, tornando, hoje uma das tecnologias mais utilizadas na
comunicação sem fio em sistemas SCADA.
Tabela 4.1 – Comparação entre tecnologias wireless
Comparação entre tecnologias Wireless
CARACTERÍSTICAS IrDA
(Infravermelho)
Bluetooth 802.11b
(wi-Fi)
Celular
(móvel)
Rádio MODEM
(wireless SCADA)
Alcance Até 300 metros Rede celular Até 50 km
Taxa de transmissão 1 a 11 Mbps Até 38.4 kbps Até 115.2 kbps
Faixa de freqüência 2.4 GHz 869-984 MHz 406 - 430 MHz
902-928 MHz
2.4 GHz
Desvantagens Baixo alcance,
Software complexo,
Uso restrito em
comunicação
PC-PC
Baixa velocidade,
Segurança,
Não disponível em
algumas
localidades
Suporte de rede,
Baixa velocidade
Vantagens Múltiplos
fabricantes, alta
velocidade.
Cobertura
nacional,
Principalmente em
regiões urbanas
Longo alcance,
segurança
Custo da
comunicação
Não concorre
com a aplicação
em sistemas
SCADA industrial
Não concorre
com a aplicação
em sistemas
SCADA industrial
- Por pacote de
dados ou custo
fixo mensal
-
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
65
A tabela 4.2, por sua vez, apresenta um comparativo entre fabricantes de
rádio MODEM de longo alcance e que possuem seus produtos divulgados na
internet e com fornecedores no Brasil. Como existem padronização e limites
impostos pela ANATEL para a industrialização desses equipamentos, observa-se
uma grande semelhança nas suas especificações, tornando a escolha da marca e
modelo em função de outros fatores, como por exemplo: preço, disponibilidade de
fornecedor, assistência técnica, baixa manutenção.
Tabela 4.2 – Comparação entre tecnologias wireless SCADA
COMPARATIVO ENTRE FABRICANTES DE RÁDIO MODEM INDUSTRIAL –
LONGO ALCANCE
MARCA
ESPECIFICAÇÃO
MDS BLACK BOX MaxStream
MODELO MDS TransNET RF 115 9XStream-PKG-R 900 MHz
COBERTURA 40 km 32,1 km 32 km
PROTOCOLO SERIAL, MODBUS SERIAL, MODBUS SERIAL, MODBUS
FAIXA DE FREQÜÊNCIA 902 – 928 MHz 902 – 928 MHz 902 – 928 MHz
TAXA DE TRANSMISSÃO Até 115,2 kbps Até 115,2 kbps Até 57,6 kbps
MODO DE TRANSMISSÃO FHSS FHSS FHSS
INTERFACE FÍSICA
DE REDE
RS-232: DB9 RS-232: DB9 RS-232: DB9
POTÊNCIA DE SAÍDA 1/10 a 1 watt 1/10 a 1 watt 1/10 a 1 watt
Além da busca na Internet, para levantar os custos dos equipamentos
wireless na automação de sistemas SCADA, foram simuladas três situações de uso
de comunicação wireless entre PC e CLP, e enviando-se para representantes
nacionais de equipamentos solicitação de custo para realizar o link. Dois
representantes responderam e realizaram a cotação de preço de materiais, as
situações simuladas, com os respectivos preços mínimos dos materiais necessários
para o link estão mostrados na tabela 4.3. De forma isolada, a análise dessa tabela
não traz informações relevantes, porém, permitirá comparar com os valores de link
de comunicação com e sem fio existentes na empresa, objeto do estudo de caso,
levantados no capítulo 5.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
66
Tabela 4.3 – Custo de link de comunicação wireless em sistema SCADA
LEVANTAMENTO DE CUSTO DE LINK DE COMUNICAÇÃO WIRELESS EM SISTEMA SCADA
SITUAÇÃO SIMULADA
CUSTO DO LINK
Mínimo em R$
1. Link de comunicação entre PC e CLP através da porta serial RS-232 para
atendimento de uma unidade remota localizada a 35 km da sede.
10.000,00
2. Link de comunicação entre um PC e um CLP através da porta serial RS-232
separados de uma distância de 200 m
2.600,00
3. Link de comunicação entre um PC e seis unidades de CLP, através da porta
serial RS-232 separados em um raio de distância máxima de 250 m do PC.
9.000,00
Para Frobase (2001), há hoje uma grande variedade de tecnologias a
escolher para fornecer comunicação wireless ponto a ponto ou ponto multi-ponto em
sistemas SCADA, com uma variedade de largura de faixa. O wireless spread
spectrum não licenciado, oferece instalação livre das complicações e exigências da
agência reguladora de espectro.
A tecnologia wireless LAN (Wi-Fi) oferece facilidades na expansão de linhas
futuras, para instalar pontos de acesso usando protocolo na comunicação entre PC-
PC. Os celulares fornecem uma alternativa a comunicação wireless licenciada e não
licenciada, onde está disponível, cujo custo do serviço é pago por pacote de dados,
a instalação é simples porque a companhia celular está fornecendo a torre, porém,
precauções de segurança devem ser feitas, porque é uma conexão direta à Internet.
Tanto a rede wireless LAN quanto os celulares não são determinísticos em
relação ao tempo de resposta no envio de um pacote de dados, o que sugere que
podem ocorrer problemas em ralação a sistemas de automação em tempo real.
Segundo Frobase (2001), a tecnologia não licenciada predomina atualmente
em sistemas wireless SCADA, e utilizam a técnica de espalhamento spectral (FHSS
ou DSSS) transmitindo sobre uma das bandas ISM.
Para Montague (2004), nos próximos anos deverá ocorrer uma substituição
dos equipamentos de RF (rádio MODEM) por rede de telefones celulares e uso de
protocolo Internet (IP).
Uma das vantagens na utilização da tecnologia wireless em sistemas SCADA
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
67
é verificada quando as dimensões do processo tornam-se muito grandes, para Boyer
(1993), o principal benefício é a redução de custos de visitas rotineiras, que no
entanto, poderia ser obtida por sistema SCADA, utilizando como meio físico de
transmissão, cabos e fios.
Montague (2004) relata que uma companhia de saneamento estimou que os
custos de instalação para preparar o trajeto para a fiação dos sensores analógicos
de 4-20 mA tradicionais em um tanque seriam aproximadamente 10 vezes os custos
de um transmissor receptor wireless. Conseqüentemente, a empresa optou em usar
o wireless para controlar o tanque e integrá-lo com o sistema da automatização e
gerenciamento de processo, além do custo, outra vantagem foi a redução do tempo
de instalação para poucos dias, ou seja, é melhor do que as duas semanas que
seriam requeridas para instalar canalização para a fiação.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
68
Capítulo 5
ESTUDO DE CASO – SANEPAR
O objetivo do estudo de caso foi buscar a verificação, em uma situação
prática de implementação de sistema wireless SCADA, o foco é temporal e está em
fatos contemporâneos dentro do contexto de vida real.
Visando a uma sistematização de mais fácil entendimento, para a execução
da pesquisa, as questões observadas foram associadas a etapas temporais (o antes
e o depois), em relação ao processo de implantação dos sistemas wireless SCADA,
buscando esclarecer: por que uma decisão ou um conjunto de decisões de escolha
e implementação da tecnologia foi tomado? Como essas decisões foram
implementadas? E, quais os resultados alcançados?
Como os dados foram coletados sob condições de ambiente não controlado,
isto é: em contexto real, o entrevistador é introduzido no mundo do objeto, e não o
contrário, como ocorre com estratégias de pesquisa em ambiente controlado. Isso
significa que o comportamento do pesquisador sofre restrições. Por isso, foi
importante:
9 Conseguir acesso à organização-chave e/ou aos entrevistados-chave;
9 Munir-se de recursos suficientes para o trabalho em campo (material, local p/
anotações etc.);
9 Desenvolver um procedimento (protocolo) com ajuda ou orientação de outros
investigadores;
9 Criar um cronograma relacionando a atividade de coleta de dados em
períodos específicos de tempo e
9 Preparar-se para a ocorrência de eventos inesperados (mudança na
disponibilidade dos entrevistados etc.).
No estudo de caso, foram realizadas entrevistas com os supervisores de
Tecnologia de Informação e Automação, para a coleta de informações sobre a
implementação da comunicação em sistemas SCADA. Também foram consultados
documentos e o site da empresa para a obtenção de informações gerais sobre a
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
69
empresa.
Para aumentar a confiabilidade da pesquisa e servir de guia ao longo das
entrevistas, foi elaborado um Protocolo do Estudo de Caso, conforme anexo I, com
questões orientativas para o investigador, elaboradas com base em temas
levantados a partir da revisão bibliográfica.
O estudo de caso foi realizado na SANEPAR, uma empresa de saneamento
com sistema wireless SCADA implantado.
5.1. DESCRIÇÃO DA EMPRESA
A Companhia de Saneamento do Paraná - SANEPAR - foi criada no dia 23 de
janeiro de 1963 para cuidar das ações de saneamento básico em todo o Estado do
Paraná. É uma empresa estatal, de economia mista, cujo maior acionista é o
governo do Estado, com 60% das ações. A SANEPAR tem como parceiro
estratégico o Grupo Dominó, formado pelas empresas Vivendi, Andrade Gutierrez,
Opportunity e Copel, que, juntas, detêm 39,7% das ações. A SANEPAR está
presente em 623 localidades, beneficiando mais de 7,5 milhões de habitantes.
Os serviços prestados pela SANEPAR são:
a) Água: A SANEPAR capta água de rios e poços, que é levada para as
estações de tratamento por adutoras. O primeiro passo para o tratamento da água é
a adição do sulfato de alumínio para a coagulação das impurezas em suspensão.
Esses flocos, mais pesados que a água se deposite no fundo dos tanques, processo
conhecido como decantação. Depois a água passa por um filtro com areia e carvão
antracito. Em seguida é adicionado o cloro, que garante a desinfecção da água
(figura 5.1). Essa água, distribuída à população, segue rigorosamente os padrões
determinados pela Organização Mundial da Saúde.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
70
Figura 5.1 – Estação de tratamento de água e esgoto da SANEPAR
b) Esgoto: Dois tipos de tratamento são usados pela SANEPAR para tratar o
esgoto coletado. O processo aeróbico é feito em estações de tratamento que
promovem a decomposição do esgoto. Ao final, 98% da matéria orgânica é
removida. Outro sistema é o RALF (Reator Anaeróbico de Lodo Fluidizado), uma
tecnologia desenvolvida pela própria SANEPAR. Com um alto índice de eficiência,
esse processo não necessita de energia complementar e ainda gera gás metano.
Seu grau de eficiência varia em torno de 80%. O lodo resultante dos processos de
tratamento do esgoto, depois de desinfetado, pode ser utilizado como insumo
agrícola.
5.2. AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE PRODUÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE
ÁGUA
Para Controle & Instrumentação (2001), o conceito de automação em
saneamento básico assemelha-se muito ao que acontece no setor elétrico. Da
mesma forma que esse segmento pode ser dividido em geração, transmissão e
distribuição de energia, o setor de saneamento possui a produção de água,
transporte para os reservatórios e distribuição aos consumidores. Entretanto, a água
usada precisa ser descartada, e aí entra todo o sistema de coleta de esgoto e
tratamento de efluentes.
Um dos entraves para a adoção de automação em saneamento são aspectos
geográficos, que influenciam os meios de comunicação. Geralmente, as unidades de
monitoração e controle remotas estão instaladas em locais que não possuem infra-
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
71
estrutura de telecomunicação ou energia elétrica.
Os principais atrativos para justificar o investimento em automação residem
na melhoria da qualidade do tratamento de água e do esgoto através do
monitoramento e controle em tempo real, redução de custos operacionais.
O controle em saneamento básico começa ainda na captação de água, em
cursos d’água, que será destinada às estações de tratamento de água. A automação
começa na elevação da água bruta até as Estações de Tratamento de Água — ETA.
Da estação de tratamento de água para os reservatórios, entra a concepção
de transmissão. Nesse caso, os benefícios da automação residem principalmente na
redução do consumo de energia e no controle de perdas.
A partir da medição da vazão de água tratada distribuída, é possível estimar o
consumo variável por hora, dia ou estação do ano – semelhante ao que existe para
medição de energia elétrica. Esses dados podem servir de base para otimizar a
elevação, visando manter o reservatório num determinado nível para atender a
demanda prevista para os próximos minutos ou horas.
A integração de todas as etapas de um sistema de saneamento de água
através de redes de comunicação de dados soluciona uma série de dificuldades
operacionais, como manter operadores nas unidades de tratamento, ligando e
desligando bombas. Hoje, várias unidades podem ser assistidas a partir de um
centro de controle operacional com funções de operação, otimização e planejamento
(menor custo, maior segurança).
Da mesma forma que para a energia elétrica, o abastecimento de água é um
sistema integrado e interligado. A figura 5.2 ilustra um sistema de produção e
distribuição de água tratada, mostrando desde a captação de água nos poços, rios
ou reservatórios, casa de bombas (recalque), reservatório de água tratada, as
estações de elevação e, finalmente, a rede de distribuição de água com os
respectivos consumidores.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
72
Figura 5.2 - Sistema de produção e distribuição de água tratada
Para Berlanda (2004), o sistema de produção e distribuição de água é
composto por várias etapas, que devem funcionar de forma integrada para diminuir
desperdícios e aumentar a eficiência.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
73
As perdas num sistema de abastecimento representam a diferença entre o
volume produzido de água tratada e o volume efetivamente faturado pela companhia
de saneamento. As perdas físicas são basicamente vazamentos no sistema de
adutoras, redes e ramais. As empresas que gerenciam o abastecimento devem estar
conscientes do quanto se perde e devem implantar um controle rígido em seus
sistemas, com vistas a minimizar essas perdas.
Analisando as etapas do processo, verificou-se que este é distribuído,
existindo a necessidade de integração entre as etapas para o funcionamento do
sistema de abastecimento.
5.2.1. A evolução do monitoramento e controle
Inicialmente a integração entre as etapas do sistema de abastecimento foi
realizada através de rádio transceptor de voz, para comunicação entre operadores.
O processo teve um baixo nível de integração, visto que o sistema não possuía
nenhum nível de automação.
Em uma segunda etapa, foram utilizadas as linhas dedicadas de telefonia fixa,
interligando as etapas do sistema de abastecimento de água através de cabos
fixados em postes da rede de distribuição de energia elétrica, os sistemas com
linhas dedicadas permanecem ainda sendo usados em grande quantidade.
Em uma abordagem mais moderna para a integração das células do sistema
de abastecimento de água, são utilizados CLP conectados a Rádio MODEM, esse
sistema deve suprir as necessidades de comandar e monitorar variáveis do processo
a distância, com a possibilidade de conectividade com os sistemas de supervisão.
É visível a dependência da integração para o controle de sistemas de
saneamento. São necessárias variáveis de outros locais para pode controlar o
processo. Um exemplo bem simples é um reservatório sendo abastecido por uma
bomba que se encontra distante, o acionamento da bomba depende do nível da
água do reservatório.
Segundo Berlanda (2004), observando os sistemas modernos que utilizam
rádio-freqüência como meio de comunicação,
são poucos os casos em que o custo de implantação destes sistemas se aproxima
do custo de implantação das linhas privadas. As linhas privadas têm uma grande
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
74
desvantagem quando utilizadas na automação de sistemas de saneamento. É muito
comum ter-se uma distribuição do sistema de produção de água tal que a automação
deva chegar a locais fora do perímetro urbano, onde não existem postes da rede
elétrica. Nestes casos, a empresa que requisita a linha privada deve arcar com todos
os custos de implantação, inclusive postes, acarretando num alto investimento. É
visível, nestes casos, que a radiocomunicação pode trazer benefícios financeiros.
Segundo esse mesmo autor, a manutenção em linhas privadas também é
constante, em diversos casos há grandes prejuízos, como a danificação do MODEM,
causados por descargas atmosféricas, devido à grande extensão da linha aérea. Os
sistemas com rádio MODEM, no entanto, apresentam-se muito mais estáveis em
seu funcionamento e com pouca necessidade de manutenção, se comparados aos
sistemas de linhas privadas.
Berlanda (2004) ainda destaca que os sistemas públicos e privados de
transmissão de dados como linhas privadas, satélite, telefonia móvel não são viáveis
em termos de custo para saneamento, a tecnologia que se mostrou viável é a
utilização de rádio MODEM livre de licença. A vantagem desse equipamento é que
não necessita custos iniciais com projeto de rádio enlace, nem o pagamento de
taxas para utilização.
5.3 COMUNICAÇÃO DE DADOS EM SISTEMAS SCADA NA SANEPAR
O estudo de caso na SANEPAR foi realizado nas regiões sudoeste e oeste do
Paraná. Nesse contexto, foi realizada uma investigação mais detalhada na regional
Pato Branco, mostrando desde a arquitetura do sistema SCADA existente, custos de
implantação e operação da rede de dados até projetos de expansão futura. Para as
demais cidades dessas regiões, foi analisada a utilização da tecnologia de
comunicação em sistemas SCADA, somente através das respostas obtidas das
questões orientativas indicadas no protocolo de entrevista do anexo I.
5.3.1. Regional Pato Branco
A arquitetura do sistema SCADA existente na regional Pato Branco está
representada na figura 5.3 pela qual se verifica o software de supervisão, localizado
na sala de controle da estação de tratamento (ETA), localizado na cidade de Pato
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
75
Branco. O servidor SCADA interliga as unidades remotas através de linha de dados
da Brasil Telecom, ligadas em configuração estrela através de MODEM, fornecidos
pela empresa telefônica. Além de controlar essa unidade de produção, controla
também os municípios de Itapejara, Dois Vizinhos, Realeza, São João e Palmas.
CLP
ITAPEJARA
CLP
DOIS VIZINHOS
CLP
SÃO JOÃO
CLP
PATO BRANCO
CLP
PALMAS
CLP
REALEZA
SERVIDOR SCADA
MODEM
LINHA DE DADOS
Figura 5.3 – Sistema SCADA SANEPAR – Regional Pato Branco
No servidor SCADA, onde está instalado o software de supervisão e controle,
existe uma placa multiserial RS-232 com oito saídas que estão conectadas aos
MODEM. Nas extremidades das linhas telefônicas, os MODEM estão ligados aos
CLP que fazem a interface com os sensores e atuadores das ETA.
Paralelamente ao SCADA, dois sistemas administrativos estão funcionando,
um em ambiente DOS e outro em ambiente Windows. Os diversos setores estão
conectados através de rede Ethernet com par trançado, as regionais e diversas
cidades estão conectadas ao sistema corporativo através de linha de dados
dedicada, operada pela companhia telefônica. Nas cidades onde há disponibilidade,
a linha de dados está sendo substituída pela rede de fibra ótica da COPEL.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
76
O sistema SCADA não está integrado ao sistema corporativo, os dados do
processo de produção, tratamento e distribuição de água, são inseridos em planilha
Excel e posteriormente digitados nos sistemas corporativos. A figura 5.4 mostra,
através de diagrama de blocos, a situação verificada e a falta de conectividade dos
sistemas existentes.
SISTEMA
SCADA
SISTEMA
CORPORATIVO 1
SISTEMA
CORPORATIVO 2
APONTAMMENTO MANUAL
DIGITAÇÃO
Figura 5.4 – Integração dos sistemas de produção e corporativo
A rede de informação corporativa intranet, que interliga as regionais e
diversas localidades, utiliza linha de dados dedicada, com uma taxa de transmissão
de 128 kbps, rede que está sendo substituída por fibra ótica, melhorando a taxa de
transmissão para 256 kbps e reduzindo os custos de comunicação de R$ 2800,00
para R$ 900,00 por linha por mês (base mês fevereiro de 2005).
Em relação à rede de controle, é empregado como meio de comunicação
linha de dados dedicada, utilizando as portas seriais RS-232 do CLP e do PC e
protocolo de comunicação proprietário fornecido pelo fabricante do CLP.
Na comunicação do sistema SCADA através de linha de dados verifica-se:
a) Custo de instalação: o custo do link é de aproximadamente R$ 3.000,00,
incluindo os MODEM para locais atendidos por cabeamento, para os
demais locais inclui todo o custo de postes, cabos e demais infra-estrutura
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
77
necessária, custo variável em função da distância em relação à unidade
remota.
b) Tempo da instalação: realizado por empresas terceirizadas, seguindo
cronograma geral da empresa de telefonia, que pode levar até três meses.
c) Disponibilidade de fornecedor: fornecedor único.
d) Manutenção: está incluída nos custos de serviço de comunicação e é
prestada pela empresa telefônica.
e) Confiabilidade: baixa ocorrência de problemas
f) Custo de comunicação: R$ 800,00 /linha /mês.
Até o momento em que foram realizadas as entrevistas, a regional de Pato
Branco ainda não utilizava como meio de comunicação a comunicação wireless na
interligação do sistema SCADA e ainda realizava a operação da estação de
captação de Pato Branco através de rádio transceptor de voz.
Mesmo não tendo encontrado comunicação wireless, as informações
levantadas são importantes para a pesquisa, pois servem de comparação com
situações onde esta comunicação existe.
Para a ETA de Pato Branco, estava programada a integração das estações de
recalque ao sistema SCADA com utilização de rádio MODEM, com freqüência de
902-928 MHz e da estação de captação na freqüência de 400 MHz.
A figura 5.5 apresenta um esquemático do projeto existente de implantação
do sistema. Pode-se verificar na ETA de Pato Branco um rádio MODEM de 902-928
MHz com antena omnidirecional em configuração ponto multiponto atendendo as
estações de recalque e uma ligação ponto a ponto na freqüência de 400 MHz, para
atender a estação de captação, localizada em uma distância maior.
O protocolo de comunicação previsto para o sistema é o MODBUS,
implementado através de módulos de rede adicionais ao CLP.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
78
CLP
ETA -PATO BRANCO
SERVIDOR SCADA
ESTAÇÃO DE
RECALQUE 1
ESTAÇÃO DE
RECALQUE 3
ESTAÇÃO DE
RECALQUE 2
ESTAÇÃO DE
CAPTAÇÃO
RÁDIO MODEM
400 MHz
RÁDIO MODEM
902-928 MHz
MÓDULO DE
REDE MODBUS
Figura 5. 5 – Ampliação do Sistema SCADA – Pato Branco
Os custos para implantação da integração das estações de recalque e
captação através de comunicação wireless com rádio MODEM ainda não foram
orçados, porém, durante a entrevista com os responsáveis pelo projeto, foi
identificado um custo de aproximadamente R$ 12.000,00 para um link ponto a ponto,
incluindo rádio MODEM, conectores, cabos, antenas e serviço de instalação, em
caso de link de freqüência fora do ISM, acrescenta-se um custo de R$ 2.000,0 para
o licenciamento de rádio enlace. O projeto de rádio enlace é realizado pela
SANEPAR.
5.3.2 Região oeste e sudoeste do Paraná
Com base nas respostas das entrevistas com os profissionais de Tecnologia
de Informação e Automação, foram obtidas as informações sobre as
implementações e resultados alcançados na utilização da comunicação de dados
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
79
em sistemas SCADA existentes na SANEPAR, cujos resultados estão descritos a
seguir.
A comunicação entre o sistema SCADA e os sistemas corporativos depende
do porte da aplicação e da complexidade. Nas unidades maiores, iniciam-se agora
projetos de integração com rede Ethernet, cuja escolha deste protocolo se deve ao
volume de dados, custos e facilidade de implementação.
Em relação à rede de controle PC – CLP utilizam-se protocolos proprietários
ou MODBUS ligados em rede mestre escravo ponto a ponto ou ponto multi-ponto.
Já na rede de campo, os protocolos MODBUS e ASI são os mais utilizados,
devido à diversidade de equipamentos e baixo custo de instalação, os protocolos
PROFIBUS e DEVICENET são pouco utilizados. Faz parte da política de
investimento da empresa migrar para rede FIELBUS FOUNDATION.
Nestas regiões a SANEPAR utiliza os seguintes meios de comunicação em
sistemas SCADA:
a) Rádio MODEM com ou sem licença: O custo aproximado de instalação de
um link de dados é de aproximadamente R$ 12.000,00, com tempo de
instalação médio de 3 dias, conta com uma disponibilidade média de
fornecedores e alta confiabilidade, a faixa de freqüência mais utilizada é a
de 902-928 MHz, e a segunda mais utilizada é a faixa de 400 MHz, ambas
utilizam a taxa de transmissão de dados de 9600 bps. Entre os benefícios
destaca-se a manutenção reduzida e baixo custo de operação do sistema
a médio e longo prazo, já que não há custos de comunicação, o problema
identificado foi interferência em links que utilizam freqüências nas faixas
menores de 200 MHz (base mês fevereiro 2005).
b) Linha privativa: a companhia telefônica fornece apenas o par de fios entre
os pontos de conexão, ficando por conta do usuário a forma de utilização
e a instalação de MODEM e as conexões necessárias. O custo de
instalação de um link de dados é de aproximadamente R$ 7.500,00, com
tempo de instalação médio de sete dias, conta com um único fornecedor.
É o meio menos utilizado pela SANEPAR em projetos recentes, porque
possui baixa confiabilidade e alto índice de manutenção. O custo de
operação de um link ponto a ponto de linha privativa é de
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
80
aproximadamente R$ 110,00 por linha por mês (base mês fevereiro
2005).
c) Linha telefônica discada: a companhia telefônica fornece os pontos de
conexão, ficando por conta do usuário a instalação de MODEM e as
conexões necessárias. O custo de instalação de um link de dados é de
aproximadamente R$ 7.500,00, com tempo de instalação médio de 3 dias,
conta com um único fornecedor. É o meio pouco utilizado pela SANEPAR,
porque possui confiabilidade média e índice razoável de manutenção. O
custo de operação de um link ponto a ponto de linha discada depende do
tempo de utilização, o que torna inviável para sistemas em tempo real,
com conexão 24 horas (base mês fevereiro 2005).
d) Linha de dados: a companhia telefônica fornece a conexão ponto a ponto,
incluindo os MODEM. O custo de instalação de um link de dados é de
aproximadamente R$ 3000,00 quando existe disponibilidade de cabos,
nas demais situações são acrescidos os custos de instalação de postes,
cabos ou tubulações, com tempo de instalação médio de três meses,
conta com um único fornecedor e alta confiabilidade. É o meio bastante
utilizado pela SANEPAR, porque possui alta confiabilidade e baixo índice
de manutenção. O custo de operação de um link ponto a ponto de dados
é de aproximadamente R$ 800,00 por linha por mês para uma taxa de
transmissão de dados contratada de 9600 bps (base mês fevereiro 2005).
5.4. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Analisando a estrutura de funcionamento dos sistemas de saneamento,
observa-se a necessidade de integração de suas etapas, como: captação,
tratamento e distribuição de água. Essa integração tem o objetivo de manter a
qualidade no tratamento de água, confiabilidade na distribuição, redução no
consumo de energia e redução nas perdas de água em todo o processo. Na
SANEPAR, observa-se uma tendência de integração através de sistemas SCADA.
O meio de comunicação utilizado na transmissão de dados das estações
remotas até a sala de controle, onde está instalado o servidor SCADA difere nas
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
81
várias regionais ou mesmo em uma única regional. Pelos resultados levantados no
estudo de caso, verifica-se uma tendência de substituição de linhas telefônicas
dedicadas ou discadas por sistemas sem fio.
Os fatores principais de decisão pela escolha de wireless como meio de
comunicação entre o computador e o CLP para supervisão e controle das estações
remotas no tratamento de água são: eliminação dos custos mensais de transmissão
de dados, manutenção reduzida, rapidez na instalação dos equipamentos e
alocação das estações remotas, que independem da localização e da infra-estrutura
de telecomunicação.
Dentre as tecnologias sem fio utilizadas ou projetadas destaca-se a utilização
de rádios MODEM livres de licença. A vantagem desses equipamentos é que não
necessitam custos iniciais com projeto de rádio enlace, nem o pagamento de taxas
para utilização e garantem segurança e sigilo na transmissão de dados, pois
funcionam com técnica de modulação por espalhamento espectral. Como a
utilização de comunicação wireless por rádio MODEM vem aumentando, os custos
iniciais de implantação têm diminuído, tornando-se uma alternativa viável para locais
remotos, quando comparada com a implantação de redes de comunicação por linha
física.
Em relação aos protocolos utilizados, a SANEPAR está direcionando para
redes que utilizam protocolo MODBUS, justificado pela facilidade de documentação
e disponibilidade de CLP que utilizam interface de rede MODBUS.
Em resumo, a SANEPAR busca, nos seus investimentos em novas
tecnologias de automação, aumentar a confiabilidade e a qualidade nos serviços
prestados, sem perder o foco na redução dos desperdícios no processo de
tratamento e distribuição de água e nos custos de investimentos realizados em infra-
estrutura. Nesse sentido, a tecnologia de comunicação wireless spread spectrum se
apresenta como uma solução viável para atingir esses objetivos como meio de
comunicação em sistemas SCADA.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
82
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
A necessidade de integração das informações da produção com autonomia
em relação à localização geográfica e que tenham custos acessíveis de instalação,
facilidade de manutenção e operação, determinam os investimentos e
especificações das tecnologias de informação.
Na estratégia de investimento, a escolha apropriada da rede e meio de
estabelecer essa comunicação na integração dos equipamentos distribuídos em
locais diferentes é um fator importante para o sucesso da integração da cadeia de
produção.
O sistema SCADA tem a função de informar os dados em tempo real da
produção e compartilhar com os níveis executivos das empresas. Para isso, os
sensores, atuadores, CLP, computador e a rede de comunicação devem trocar
informações entre si de modo rápido e confiável.
Comparando as redes e os meios de comunicação pesquisados em
aplicações de sistemas SCADA e os casos de processos analisados constatou-se
que:
A comunicação wireless não concorre com as redes LAN ou WAN, mas
possibilita a sua ampliação para locais de difícil acesso, onde o custo com
cabeamento, postes, instalação, autorização de passagem de cabos aéreos ou
subterrâneos dificultam e encarecem a comunicação de dados;
Para locais remotos, onde não existe infra-estrutura de comunicação, o
sistema sem fio mostrou-se mais econômico, tanto em custo de instalação como
também na operação e manutenção da rede de comunicação;
A principal justificativa da substituição da linha física é o retorno financeiro a
médio e longo prazo, já que essa tecnologia elimina os custos de transmissão de
dados, após a sua instalação;
O sistema celular promete através das suas concessionárias, atender a essa
necessidade, oferecendo, como vantagem, um baixo custo de instalação. Porém, a
falta de cobertura ou disponibilidade do serviço, em muitas localidades, o custo
mensal na transmissão de dados e, principalmente, a falta de determinismo no
tempo de envio e resposta de uma mensagem faz com que essa tecnologia ainda
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
83
não seja utilizada na automação, porque a garantia de que a informação chegue ao
local certo e num tempo definido é um fator determinante na sua especificação;
A comunicação wireless em sistemas SCADA, também, vem ocupando
espaço em locais urbanos, mesmo onde já existe infra-estrutura de
telecomunicação, principalmente devido à rapidez na instalação e a eliminação dos
custos de transmissão de dados;
Já, em ambientes menores, restritos a unidades de produção, o meio de
comunicação utilizando fios e cabos ainda é mais barato, tornando-o muito mais
utilizado. Para esses ambientes, as redes wireless LAN, utilizando protocolo
802.11.b ou 802.11.g, prometem, segundo os seus fornecedores, ser uma solução
para ambientes industriais, mas o baixo alcance e a necessidade de computador nas
duas pontas do link limitam a sua utilização, podendo ser usada na comunicação
entre servidor e cliente SCADA, dentro da rede de informação, inviabilizando o uso
na rede de controle, onde o servidor SCADA é ligado ao CLP ou outra unidade
remota de aquisição de dados;
Todas as tecnologias utilizadas apresentam velocidades de comunicação
compatível com as necessidades dos sistemas SCADA, que normalmente são
configuradas para transmitir em 9600 bps contra um potencial de até 38,4 kbps para
o celular, 115 kbps para o rádio MODEM e 54 Mbps para WLAN 802.11.g;
O estudo mostrou que a comunicação wireless com espalhamento espectral
em saltos de freqüência (FHSS), utilizando rádio MODEM, operando nas faixas de
freqüências liberadas de licença pela ANATEL, é atualmente a tecnologia sem fio
que apresenta a melhor relação custo/benefício na comunicação em sistemas
SCADA, para integração dos sistemas de captação, tratamento e distribuição de
água tratada pela SANEPAR, empresa que possui seus processos distribuídos em
locais distantes entre si e, muitas vezes, sem infra-estrutura de comunicação
disponível.
Já que em ambiente industrial, o que prevalece na comunicação de dados da
produção é principalmente a confiabilidade da transmissão, pode-se estender a
conclusão anterior a empresas que possuem processos de produção semelhantes
ao da SANEPAR.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
84
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
A seguir serão apresentadas sugestões de continuidade para este trabalho:
• Estudar o potencial de utilização de telefone celular com tarifação por
pacote de dados, mostrando a evolução dessa tecnologia e a
possibilidade de utilização em aplicações industriais na comunicação
em sistemas SCADA;
• Realizar uma pesquisa semelhante, mudando o estudo de caso para
uma empresa que utilize wireless na automação em ambiente restrito.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
85
REFERÊNCIAS
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para
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PPGEP – Gestão Industrial (2005)
88
APÊNDICE
TRABALHOS PUBLICADOS DURANTE A REALIZAÇÃO DO MESTRADO
1. BOARETTO, Neury; MARÇAL, Rui Francisco Martins; SCANDELARI, Luciano. Benefícios
da comunicação wireless em sistemas SCADA para a gestão da manutenção. III
Seminário Catarinense de Manutenção, 2005, Joinville. Anais do III Seminário Catarinense
de Manutenção
2. BOARETTO, Neury ; KOVALESKI, João Luiz ; SCANDELARI, Luciano . Integração da
Coleta de Dados e Monitoramento com Recursos de Gestão. Revista Máquinas e
Metais, n. 471, 2005.
3. BOARETTO, Neury; KOVALESKI, João Luiz; SCANDELARI, Luciano. Coleta de dados e
monitoramento de chão de fábrica na manufatura discreta – integração com as
ferramentas de gestão. In: XI SIMPEP - XI Simpósio de Engenharia de Produção, 2004,
Bauru. Anais do XI Simpósio de Engenharia de Produção, 2004.
4. BOARETTO, Neury; KHUN, Gustavo Gomes; CARATI, Emerson Giovani; HARA, Artur. IT
Applied to Agro Industries in Southwest of Parana. In: CATI 2004 - Congresso Anual de
Tecnologia de Informação, 2004, São Paulo. CATI 2004 - Congresso Anual de Tecnologia
de Informação, 2004.
5. BOARETTO, Neury; SANZOVO, Nádia; SCANDELARI, Luciano. Implantação de um
laboratório de Automação da Manufatura na Unidade de Pato Branco do CEFET-PR.
In: COBENG 2004 - XXII Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, 2004, Brasília.
Anais do XXI Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, 2004.
6. CHIOCHETTA, João Carlos; BOARETTO, Neury; KOVALESKI, João Luiz; SANZOVO,
Nádia. Ambiente competitivo e inovação tecnológica. In: III Congresso Paranaense de
Educação, 2003, Curitiba. III Congresso Paranaense de Educação, 2003.
7. BOARETTO, Neury; KOVALESKI, João Luiz; SANZOVO, Nádia; CHIOCHETTA, João
Carlos. Centros de Pesquisa e Inovação Tecnológica - A Necessária Articulação e
Convivência com Setor Público e Privado. In: COBENG 2003 - XXI Congresso Brasileiro
de Ensino de Engenharia, 2003, Rio de Janeiro. Anais do Congresso Brasileiro de Ensino
de Engenharia, 2003.
8. BOARETTO, Neury; KOVALESKI, João Luiz; SANZOVO, Nádia. As Pequenas e Médias
Empresas e as Novas Fronteiras da Automação. In: VII SEMINÁRIO ANUAL DE
ENSINO, PESQUISA E EXTENÇÃO, 2003, Pato Branco. Anais do VII Seminário Anual de
Ensino, Pesquisa e Extensão, 2003.
9. HARA, Artur Tsuguiyoshi; BOARETTO, Neury; BERNARDO, J. I.; KHUN, Gustavo Gomes.
Automação da Ambiência em Aviários de Corte no Sudoeste do Paraná Utilizando
Módulos de Controle Baseados em DSP. In: IV CONGRESSO BRASILEIRO DA
SOCIEDADE BRASILEIRA DE INFORMÁTICA APLICADA À AGROPECUÁRIA E À
AGROINDUSTRIA - SBIAGRO, 2003, Porto Seguro. Anais IV Congresso Brasileiro da
Sociedade Brasileira de Informática Aplicada à Agropecuária e à Agroindústria, 2003. V. 2.
p. 163-510.
PPGEP – Gestão Industrial (2005)
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ANEXO I
Ministério da Educação
Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná
Unidade Ponta-Grossa
Departamento de Ensino de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção -PPGEP
ENTREVISTA PARA O ESTUDO DO CASO DE IMPLANTAÇÃO DA TECNOLOGIA DE
COMUNICAÇÃO EM SISTEMA SCADA
Pesquisador: Neury Boaretto [email protected]
Orientador: Prof. Dr. Luciano Scandelari [email protected]
Este é um protocolo de estudo de caso que se refere a pesquisa de campo
que visa traçar um diagnóstico da tecnologia wireless na comunicação entre o nível
de controle e instrumentação e o nível de supervisão dos processos de produção
(wireless SCADA), e tem como objetivos específicos:
Traçar um comparativo entre a comunicação wireless (via sinal irradiado) e a
comunicação convencional (via linha física), para saber a que melhor atende na comunicação
em sistemas de supervisão, controle e aquisição de dados da produção (SCADA).
Apontar dentre os métodos de transmissão wireless, qual é o mais indicado na
utilização em sistemas SCADA em termos de custo, operação, eficiência, manutenção e
confiabilidade.
Identificar os benefícios ou possíveis problemas decorrentes da comunicação
wireless, entre os níveis de controle e instrumentação e supervisão de processos industriais,
para propor em que condições podem ser utilizadas.
Parte I: Identificação do entrevistado
Empresa:................................................................................................................
Razão Social:.........................................................................................................
Setor de atividade:.................................................................................................
Nome do entrevistado:...........................................................................................
Setor:.....................................................................................................................
Função:..................................................................................................................
Tempo de empresa:...............................................................................................
E-mail:....................................................................................................................
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Telefone:................................................................................................................
___________________________________________________________________
Parte II: Integração dos sistemas de produção e distribuição de água
1. Como a SANEPAR realiza a integração das informações do sistema de captação,
tratamento e distribuição de água?
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....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
2. Na sua visão, qual (quais) é (são) o (s) objetivo (s) da integração dos sistemas de
produção e distribuição de água tratada
?
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
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............................................................................................
4. Qual ou quais os sistemas de gestão utilizados?
....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
............................................................................................
___________________________________________________________________
Parte III: Automação
1. Como é realizado o controle e a supervisão do sistema de abastecimento de água?
Qual é a tecnologia utilizada?
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....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
2. A SANEPAR utiliza sistemas SCADA comerciais abertos ou utiliza algum sistema
proprietário, por quê?
....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
3. Qual ou quais os softwares de supervisão utilizados?
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....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
............................................................................................
4. Para o controle o que é utilizado, CLP, PC ou microcontroladores, por quê?
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
5. São utilizados sensores e atuadores inteligentes ligados em rede ou sensores convencionais
ligados diretamente nos CLPs?
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
___________________________________________________________________
Parte IV: Rede de comunicação
1. Rede de Informação: Qual é a configuração de rede e o protocolo utilizado na
comunicação entre o sistema supervisório e os sistemas de gestão (PC-PC), por que foi
utilizada esta especificação?
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
............................................................................................
2. Rede de controle: Qual é a configuração de rede e o protocolo de comunicação utilizado
entre o sistema supervisório e o CLP ou RTU, por quê foi utilizada esta especificação?
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
3. Rede de campo: Qual é o protocolo e o tipo de comunicação utilizado entre o CLP e os
sensores e atuadores, por que foi utilizada esta especificação?
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
..........................................................................................................
4. Qual é o meio de comunicação entre CLP e PC (sistema supervisório)
( ) Fibra ótica
( ) Telefonia móvel (celular)
( ) Rádio modem ( sem licença)
( ) Rádio para telecomando
( ) Linha telefônica dedicada
( ) Linha telefônica discada
( ) Par trançado
( ) Outro .................................................................................................................
Justifique o uso de cada tecnologia em relação ao:
a) Custo da instalação
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
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b) Rapidez na instalação
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
c) Disponibilidade de fornecedor
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
d) Manutenção
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
e) Confiabilidade
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
............................................................................................
f) eficiência
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
5. Quais os benefícios na utilização da comunicação wireless em sistemas de monitoração e
controle utilizados pela SANEPAR.
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
............................................................................................
6. Quais os problemas encontrados na utilização da comunicação wireless em sistemas de
monitoração e controle utilizados pela SANEPAR.
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
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....................................................................................................................................................
............................................................................................
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