IEEE 802.11 em aplicações industriais (TEL087)
IEEE 802.11 em aplicações industriais (TEL087)
Tudo está se tornando sem fio. Com o aperfeiçoamento cada vez maior das tecnologias que permitem realizar comunicações seguras à curta distância, é de se esperar que também nos ambientes industriais a adoção de soluções sem fio se torne comum. No entanto, um ambiente industriais é um ambiente hostil, principalmente quando pensamos em termos de interferências e ruídos que eles podem gerar, afetando qualquer solução de comunicação sem fio. Como utilizar as soluções das redes sem fio no padrão 802.11 num ambiente industrial é o que discutiremos neste artigo.
Este artigo foi originalmente publicado em 2005. Veja mais sobre o assunto em: Redes sem fio e o padrão IEEE 802.11 (TEL026)
Se bem que a segurança das redes com fio como as LAN Ethernet já façam com que seu uso seja amplamente adotado nos ambientes industriais, apesar de também deverem ser tomadas precauções quanto às interferências, ruídos e possíveis influências de umidade e temperatura, cada vez mais, os fabricantes de equipamentos para esse mercado focalizam suas atenção para a possibilidade de se usar redes sem fio ou "wireless local area networks", abreviadamente WLANs.
Os primeiros obstáculos encontrados para a adoção das soluções existentes pelo padrão 802.11 foram justamente o alcance e as condições difíceis de um ambiente hostil, como é o ambiente industrial.
No entanto, com o aperfeiçoamento das tecnologias usadas já é possível encontrar produtos confiáveis, baratos e fáceis de usar para interfaceamento sem fio entre humanos e máquinas (interface homem-máquina sem fio) ou WIHM.
Nesse conjunto adiciona-se a possibilidade se monitorar ou controlar o funcionamento de máquinas através da Internet, isso sem se falar na manutenção remota, que se torna especialmente atraente quando consideramos os custos de uma máquina parada esperando pela presença de um profissional de manutenção.
A utilização de sistemas de monitoramento e controle de máquinas sem a necessidade de fios traz ainda a vantagem da máquina pode ser deslocada facilmente dentro de uma planta industrial, sem a necessidade de um sistema de cabeamento físico complexo ter de acompanhá-la. A configuração e operação no novo local é fácil e imediata.
Para que os leitores possam entender um pouco do modo como o padrão IEE 802.11 é analisado a partir do ponto de vista industrial, vamos partir de seus fundamentos.
O Padrão 802.11
Na verdade o que denominamos padrão 802.11 é um conjunto de padrões, criado em 1997, que define o modo como diversos dispositivos podem ser comunicar numa rede sem fio.
O padrão se desenvolveu, com a adoção de diversos outros padrões contendo sufixos alfabéticos.
Esse padrão define a camada física e as camadas de dados apenas. A camada física trata justamente do modo como os dispositivos se comunicam. Na figura 1 mostramos como isso pode ser feito.
Uma rede física pode se comunicar com PCs móveis ou placas de controle industriais, trocando sinais através de um ponto de acesso.
Qualquer equipamento pode acessar esse ponto desde que situado a uma distância máxima de 300 pés ou aproximadamente 100 metros.
Veja que nessa rede existem dois tipos de dispositivos numa rede: estações e pontos de acesso.
Para uma rede comum, por exemplo, um escritório, as estações podem ser PCs equipados com uma placa de rede sem fio (NIC) ou ainda um computador que tenha recursos Wi-Fi embutidos ou ainda recursos para conexão de um cartão PCMCIA Wi-FI. Na figura 2 mostramos um exemplo de um Laptop se comunicando com um ponto de acesso de uma rede sem fio.
Para o caso de uma aplicação industrial, pode-se usar um PDA (Personal Digital Assistant) habilitado como uma interface Homem- Máquina (IHM).
Na figura 3 mostramos a solução que permite usar um PDA com um cartão sem fio, comunicando-se com um sistema sem fio , interfaceado a uma rede Ethernet.
O padrão 802.11 define dois modos de operação: modo por infraestrutura e modo "ad hoc".
O modo por infraestrutura faz uso de um ou mais pontos de acesso conectados a uma LAN. As estações sem fio se comunicam com os pontos de acesso de modo a ter acesso a outras estações sem fio e também à própria LAN.
No Conjunto de Serviço Básico (BSS) diversas estações se comunicam com um ponto de acesso, que está conectado a uma LAN com fio. No serviço estendido (ESS) dois ou mais pontos de acesso são conectados à rede criando uma sub-rede.
No modo "ad-hoc", também chamado de Conjunto de Serviço Básico Independente ou IBSS, os pontos de acesso não são usados. As estações sem fio se comunicam umas com as outras diretamente, num modo peer-to-peer. Esse modo permite que computadores individuais sejam ajustado para uma rede em que não exista uma infra-estrutura wireless. A figura 4 mostra como isso é feito.
A especificação original da camada física da 802.11 define uma WLAN para operar na faixa ISM de 2,4 GHz que não precisa de licença.
São especificadas três opções de modo de transmissão: duas delas usam modulação de espectro espalhado e outra usa infravermelho.
As opções via sinais de rádio operam com velocidades de 1 Mbps e 2 Mbps, técnicas de saltos de freqüência e espectro espalhado (Frequency Hopping Spread Spectrum – FSS) ou ainda em espectro espalhado de seqüência direta (DSSS).
As duas técnicas não são compatíveis e proporcionam características de performance bem diferentes. O a técnica por salto de freü6encias tem a vantagem de ser menos sensível a ruídos, mas limita a velocidade.
802.11b e 802.11g
As redes baseadas no padrão original 802.11 têm sido bem aceitas, diferentemente de muitos outros tipos anteriores de redes. No entanto, sua velocidade inicial ainda era inadequada para muitas aplicações, principalmente quando essas redes eram conectadas a outras mais rápidas, como as Ethernet operando em 10 Mbps e mesmo 100 Mbps.
Assim, a primeira variação, 802.11b, já foi um aperfeiçoamento que facilitou a interconexão, pois mesmo utilizando a banda de 2,4 GHz alcançava uma taxa de transmissão de 11 Mbps.
O padrão IEEE 802.11b implementa a mesma modulação DSSS do modo 802.11, mas outros versão incorporam outros esquemas de modulação que melhoram a imunidade ao ruído.
Assim, com o aparecimento da versão 802.11g, ainda na banda de 2,4 GHz, a velocidade de transmissão dos dados alcançou 54 Mbps, sem comprometer a compatibilidade com as versões anteriores.
Assim, essa versão suporta dois modos de operação. Um deles compatível com as versões mais lentas 802.11b e outro que opera com uma velocidade maior de transmissão de dados.
Sistemas que utilizem tanto o 802.11b como 802.11g poderão trocar dados, no entanto quando ligados a um equipamento 802.11b, os que tenham os recursos do 802.11g terão velocidade menor, transferindo os dados a 11 Mbps.
Uma idéia para se evitar o estrangulamento de um sistema que use os dois padrões é criar sub-redes diferentes, uma para o 802.11b e outra para o 802.11g, interligadas por um roteador ou um ponto de acesso.
Um outro membro da família 802.11 é a 802.11a, que tem uma abordagem diferente de operação. Esse padrão opera em 5 GHz, uma faixa menos congestionada com uma velocidade máxima de 54 Mbps, como a 802.11g.
A desvantagem desse padrão está na sua incompatibilidade de transferência de dados com os equipamentos que operem no padrão 802.11b e 802.11g.
Camada do Link de Dados
Da mesma forma que na 802.3 (Ethernet), a camada de link de dados é formada por duas sub-camadas. O LLC (Logical Link Control) e a MAC (Media Access Control).
Tanto a 802.3 como a 802.11 usam a mesma LLC, especificada no padrão 902.2 de modo a permitir a integração dos dois tipos de redes de uma forma relativamente simples.
Apenas no caso da MAC, enquanto a Ethernet usa o sistema CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), a 802.11 usa uma variação denominada CSMA/CA (Sense Multiple Access with Collision Avoidance. A figura 5 mostra como ela funciona.
Com a tecnologia CSMA/CA uma estação que pretende transmitir antes verifica o tráfego existente na portadora de rádio, enviando seu próprio sinal e depois silenciando depois de um período aleatório de tempo.
Se a estação receptora recebeu o sinal intacto ela envia um sinal de reconhecimento (ACK = acknowledgment) para confirmar esse recebimento.
Se a estação transmissora não receber esse sinal de reconhecimento, ela assume que o pacote de dados enviado não chegou intacto ao receptor. Ela espera então um certo intervalo de tempo aleatório e tenta enviar o sinal novamente.
Alcance e Segurança
A maior dificuldade quando se trabalha com sinais de rádio é que não podemos saber exatamente quais são os obstáculos que têm de ser atravessados e, portanto que tipo de atenuação eles podem causar nesses sinais.
Além disso, influem na confiabilidade e alcance o tipo de antena que se utiliza tanto no transmissor como no receptor, o nível de ruído ambiente, a presença de outros transmissores operando na mesma faixa, eventuais pontos de reflexão de sinais, etc.
Tipicamente, os dispositivos 802.11 têm um alcance de 100 pés ou aproximadamente 30 metros em ambientes fechados, mas em locais sem muitos problemas pode chegar a perto de 180 metros ou 500 pés.
Com o uso de antenas externas de alto ganho, sem a existência de obstáculos (linha de visão) o alcance pode chegar em certos produtos a 5 milhas ou perto de 8 quilômetros.
O principal problema que encontramos ao implementar uma rede sem fio (WLAN) num ambiente industrial é o nível de ruídos que esses ambientes contém.
Não só os ruídos gerados pelos próprios dispositivos comutadores de potência são importantes, mas até mesmo sinais de altas freqüências que são gerados por alguns tipos de máquinas.
A confiabilidade dos sistemas num ambiente industrial é especialmente importante pois ela envolve segurança. Por outro lado, a garantia de performance é importante para que a produção não seja comprometida.
Para vencer os obstáculos encontrados na utilização de WLANs em ambientes ruidosos ou hostis como os industriais, diversos fabricantes têm apresentado soluções específicas para os quais os profissionais devem estar atentos, pois o ambiente de operação exige produtos especiais, conforme sugere a figura 6.
Uma das soluções adotadas por muitos fabricantes consiste em se utilizar transmissores com maior potência, de modo a vencer os níveis de ruídos e mesmo os obstáculos eventuais para a propagação dos sinais.
Outro ponto importante é dotar o equipamento de menor sensibilidade a ação química de produtos que possam estar presentes no ambiente que eles operam como a umidade, gases corrosivos, etc.
Conectores robustos é outra exigência que já abordamos em artigos nessa mesma revista.
Finalmente temos a adoção de softwares que garantem uma integridade maior na transmissão de dados, com a adoção de prioridades, para o caso de controles de processos em tempo real que admitem interrupções longas.
Consultando os catálogos das empresas especializadas em redes sem fio WLAN para aplicações industriais vemos que o número de produtos oferecidos cresce constantemente.
Modems, servidores seriais, repetidores, pontos de acesso são alguns dos equipamentos que já podem ser obtidos em versões industriais numa ampla variedade de tipos e de diversos fabricantes. Na figura 7 temos um exemplo de equipamento especialmente desenvolvido para aplicações industriais.
As redes sem fio de uso industrial, seguindo o padrão 802.11 devem evoluir ainda mais, para vencer os obstáculos que uma comunicação em ambiente hostil apresenta.
Novos produtos, equipamentos mais rápidos com protocolos mais seguros, principalmente levando em consideração as necessidades de controle e monitoração em tempo real deve encher o mercado nos próximos anos.
O tabu de que num ambiente como o de uma planta industrial somente redes físicas usando fios ou fibras ópticas são seguras, deve cair e logo as redes sem fio WLAN, também estarão sendo usados na maioria das fábricas.
O que vimos neste artigo é apenas uma amostra de como o padrão 802.11 estabelece o modo de comunicação entre os dispositivos de uma rede e como ele está sendo adaptado para operar em ambientes hostis.