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SANTO ANDRE 2012

SANTO ANDRE 2012

Este trabalho tem como objetivo identificar a possibilidade de aplicação de rede ZigBee em ambientes industrias. As redes de sensoriamento estão sendo amplamente utilizadas em diversas camadas de aplicação, desde ambientes residenciais, comerciais e devido ao baixo custo vem despertando interesse em ambientes industriais. Neste estudo a avaliação se baseia na análise qualitativa, viabilidade técnica de uma rede industrial com instrumentos de medição de variáveis de processo industrial com inteligência em distribuição descentralizada, utilizando redes sem fio, particularmente rede ZigBee, Não fazendo parte deste estudo uma avaliação financeira. Palavras-chave: redes industriais, ZigBee, automação e aquisição de dados.

This study aims to identify the applicability of network ZigBee in industrial environments. The sensing networks are being widely used in various application layers, from residential, commercial and low cost due to increase interest in industrial environments. In this study the evaluation is based on qualitative analysis, technical feasibility of a network with industrial measuring instruments industrial process variables with intelligence in decentralized distribution and is not part of this study a financial assessment. Key words: redes industriais, ZigBee, automação e aquisição de dados.

1 INTRODUÇÃO6
2 OBJETIVO7
2.1 Geral7
2.2 Especifico7
3 JUSTIFICATIVA8
4 HISTÓRICO9
4.1 Automação industrial9
4.1.1 Camadas de automação9
4.2 Redes industriais1
4.3 SCADA12
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA14
5.1 Introdução14
5.2 Arquitetura ZigBee15
5.2.1 Coordenador16
5.2.2 Roteador16
5.2.3 Dispositivo final16
5.2.4 Topologia ZigBee17
5.3 Camadas ZigBee17
5.3.1 PHY17
5.3.2 MAC17
5.3.3 Network layer (NWK)l19
5.3.4 Aplication layer (APL)20
6 APLICAÇÕES DO ZIGBEE NA INDÚSTRIA21
6.1 Aplicações de monitoramento e controle21
6.1.1 Rede gerencial2
6.1.2 Rede de controle2
6.1.3 Camada de campo23
6.2 Aplicações para aquisição de dados24
6.2.1 O ZigBee aplicado a medição de consumos25

SUMÁRIO 6.2.2 O ZigBee aplicado ao SCADA ......................................................................... 26

6.1.3 Camada de campo23
7 CONCLUSÃO14

6.2.3 Exemplos de aplicação do ZigBee ................................................................... 27 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 31

1 INTRODUÇÃO

Com o advento da automação industrial na década de 20, a indústria vem utilizando, cada vez mais, sistemas que possibilitem o aumento de produtividade com menos intervenções humanas, isto ocorre naturalmente devido ao ambiente globalizado e competitividade para manter uma posição no mercado atual. A automação industrial vem sendo uma grande aliada para que as indústrias alcancem este objetivo, com base neste objetivo a indústria tem direcionado investimentos em novas soluções para tornar instrumentos com custos cada vez mais acessíveis e com maior confiabilidade. É com este foco que as redes industriais, sem fio, vêm ocupando um espaço cada vez maior na engenharia de aplicações industriais, sendo cada vez mais adotadas devido à necessidade de redução de passagem de cabos, reduções na infraestrutura (tubulações), redução no tempo de instalação, custo e prazo de implantação, bem como menor tempo e facilidade de manutenção.

As redes industriais, surgiram nos anos 40 (LUGLI, A.B.,2011) utilizando sistemas pneumáticos (3 a 15 PSI) para monitoramento de dispositivos no chão de fábrica. A partir deste período as redes industriais vêm se tornando mais inteligentes, com maior velocidade de transmissão de dados, redução nas colisões de transmissão de pacotes, e maior inteligência descentralizada dando maior autonomia para os instrumentos de chão de fabrica realizar malhas de controle (LUGLI, A.B. 2011, pag2).

Atualmente, a rede ZigBee vem ganhando destaque entre as principais redes do mercado. Com características peculiares, essa tecnologia está ganhando visibilidade devido ao seu baixo consumo e a alguns atributos da sua pilha de protocolos. Esse estudo analisa as principais características arquiteturais do ZigBee e como essa pode ser empregada como uma rede de campo na industria.

2 OBJETIVO

2.1 Geral

O objetivo deste trabalho é realizar uma análise teórica da aplicação dos recursos da tecnologia ZigBee na área industrial.

2.2 Especifico

Pretende-se alcançar os seguintes objetivos:

a) em qual camada de automação, pode ser aplicado a rede ZigBee?; b) qual a capacidade da rede ZigBee, quando se trata de monitoramento e controle de processo?; c) em qual segmento da indústria vem sendo aplicado a rede ZigBee?.

3 JUSTIFICATIVA

Atualmente existem diversos estudos relacionados à rede de transmissão de dados e voz, vídeo, computadores pessoais em redes sem fio de alta velocidade, porém existe uma necessidade de um estudo mais aprofundado sobre a utilização de redes sem fio entre dispositivos de controle e sensores na indústria.

4 HISTÓRICO

4.1 Automação industrial

A história da automação industrial começou com a criação das linhas de montagens automobilísticas com Henry Ford, na década de 20. Daí para cá o avanço tecnológicas nas mais diversas áreas da automação industrial tem sido cada vez maior, proporcionando um aumento na qualidade e volume de produção, assim como redução de custos. O avanço da automação está ligado, em grande parte, ao avanço da microeletrônica, que se deu nos últimos anos. Os Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s) sugiram na década de 60 e substituíram os painéis de cabina de controle com relés, diminuindo assim, o alto consumo de energia, a difícil manutenção e modificação de comandos e também as onerosas alterações de fiação. Nos anos 90 programas de computadores foram criados com a tentativa de se obter maior produtividade, qualidade e competitividade. Dentro desta visão, de integração entre o chão de fabrica e o ambiente corporativo, decisões dentro do sistema organizacional de produção passaram a ser tomadas no mais alto grau de conceito de qualidade. Tudo baseado em dados concretos e atualizados, os quais se originam em diferentes unidades de controle. Os fabricantes de CLP’s também compreenderam a inequação básica: “software + hardware”, e passaram a produzir sistemas intitulados SCADA e outros aplicativos mais especializados. Uma solução de automação tem por objetivos básicos o desempenho, a modularidade e a expansibilidade. Para que estes objetivos sejam alcançados, temos que conceber prioritariamente um desenho da arquitetura do sistema e, desta forma, organizar seus elementos: remotas de aquisição de dados, CLP's, instrumentos e sistemas de supervisão, dentre outros.

4.1.1 Camadas de automação

Quando falamos sobre automação industrial aplicada a processos industriais não temos noção da abrangência dentro do processo industrial, para que seja definidas fronteiras de atuação, seguindo nesta direção que a ANSI/ISA 95.0.01 publi- cou uma estruturação das “camadas” de automação podendo alcançar diversos níveis dentro de um ambiente corporativo.

Figura 1 – Pirâmide da automação industrial

Como podemos observar na figura acima, a chamada “pirâmide da automação industrial” apresenta os diferentes níveis de controle de automação industrial, desde os equipamentos e dispositivos em campo até o gerenciamento corporativo da empresa.

Veja a descrição de cada um destes níveis: Nível 1 – Aquisição de dados e controle manual: o primeiro nível é majoritariamente composto por dispositivos de campo. Atuadores, sensores, transmissores e outros componentes presentes na planta compõem este nível.

Nível 2 – Controle individual: o segundo nível compreende equipamentos que realizam o controle automatizado das atividades da planta. Aqui se encontram CLP’s, Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD’s) e relés.

Nível 3 – Controle de célula, supervisão e otimização do processo: o terceiro nível destina-se a supervisão dos processos executados por uma determinada célula de trabalho em uma planta. Na maioria dos casos, também obtém suporte de um banco de dados com todas as informações relativas ao processo.

Nível 4 – Controle fabril total, produção e programação: o quarto nível é responsável pela parte de programação e também do planejamento da produção. Auxi- lia tanto no controle quanto também na logística de suprimentos. Podemos encontrar o termo gerenciamento da planta para este nível.

Nível 5 – Planejamento estratégico e gerenciamento corporativo: o quinto e último nível da pirâmide da automação industrial se encarrega da administração dos recursos da empresa. Neste nível encontram-se softwares para gestão de venda, gestão financeira e Business Intelligence (BI) para ajudar na tomada de decisões que afetam a empresa como um todo.

4.2 Redes industriais (camada chão de fabrica – nível 01)

Nos anos 40, a instrumentação de processo confiava em sinais de pressão físicos de 3-15psi para monitorar os dispositivos de controle no chão de fabrica.

Já nos anos 60, os sinais analógicos de 4-20 mA foram introduzidos na industria para monitorar dispositivos de campo.

Com o desenvolvimento de processadores nos anos 70, surgiu a idéia de se utilizar computadores para monitoração de processos e se fazer o controle de um ponto central. Com os computadores, varias etapas do controle poderiam ser feitas de forma diferentes de modo a se adaptar mais precisamente as necessidades de cada processo.

Nos anos 80, começou-se a desenvolver os primeiros sensores inteligentes, assim como os controles digitais associados a esses sensores. Com o desenvolvimento dos instrumentos digitais era necessário algo que pudesse interligá-los. Aqui, nasce a idéia de criação de uma rede que ligaria todos os dispositivos e disponibilizaria todos os sinais do processo num meio físico. A partir daí, a necessidade de uma rede (fieldbus) eram claros, assim como um padrão que pudesse deixá-lo padronizado para o controle de instrumentos inteligentes.

A busca pela definição de um padrão internacional levou vários grupos a se unirem. Entre eles: a International Society of Automation (ISA), a International Electrotechnical Commission (IEC), o comitê de padronização do PROFIBUS (norma alemã) e o comitê de padronização FIP (norma francesa). Esses comitês formaram o comitê internacional IEC/ISA SP50 fieldbus.

O desenvolvimento desse padrão internacional demorou muitos anos. Em 2000, todas as organizações interessadas convergiram para criar o fieldbus padrão IEC, que foi denominado IEC 61158 com oito protocolos distintos listados a seguir:

a) tipo 1 – FOUNDATION Fieldbus H1; b) tipo 2 – ControlNet.

Há vários fieldbuses no ambiente industrial. As redes DeviceNet, PROFIBUS

Interbus, Fieldbus Foundation e outros são utilizados em muitas aplicações. Todos podem ser utilizados de acordo com a preferência e, às vezes, com a aplicação. O que era necessário era que estes fieldbuses, de fabricantes diferentes, pudessem ser adaptados a tecnologia Ethernet e desta forma pudessem interagir uns com os outros.

Atualmente, cada fabricante já tem sua solução para o ambiente industrial em

Ethernet: o PROFINET, da associação PROFIBUS, (que é uma evolução do PROFIBUS), o Ethernet/IP, da associação ODVA (onde IP quer dizer industrial protocol) e cuja proposta é uma evolução do Devicenet e Controlnet, e o HSE (High Speed Ethernet) da associação Fieldbus Foundation (que interconecta as redes H1 - Foundation Fieldbus) são exemplo e padrões, conforme apresentados na tabela 1.

Com a existência de uma grande quantidade de soluções para Ethernet Industrial, acabou-se por não ter a interoperabilidade desejada. Isto porque cada fabricante ou grupo desenvolveu suas soluções incompatíveis com os demais, por exemplo, PROFINET da associação PROFIBUS não se comunica com o Ethernet/IP da ODVA.

De uma forma ou outra a Ethernet conseguiu sua penetração no ambiente industrial, porém alguns problemas começaram a surgir nesta fase inicial.

4.3 SCADA - supervisory control and data aquisition

Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipulados, analisados, armazenados e posteriormente, apresentados ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition).

Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam informar periodicamente o estado corrente do processo industrial, monitorando sinais repre- sentativos de medidas e estados de dispositivos, através de painéis de lâmpadas e indicadores.

Atualmente, os sistemas de automação industrial utilizam tecnologias de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais, efetuando coleta de dados em ambientes complexos, eventualmente dispersos geograficamente, e a respectiva apresentação de modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados (interfaces homem-máquina) e conteúdo multimídia.

Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam todas as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação através de tags, podendo executar funções computacionais (operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc.) ou representar pontos de entrada/saída de dados do processo que está sendo controlado.

Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (ex: temperatura, nível, vazão etc.), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. É com base nos valores das tags que os dados coletados são apresentados ao usuário.

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