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A fábrica sem fio

Tecnologias wireless aproximam o futuro da indústria

Se a tecnologia sem fio facilita a vida em centenas de atividades no dia a dia, imagine o que já pode fazer em uma fábrica. É por isso que as redes wireless são um dos pilares para o futuro da indústria. Desde sempre, o ser humano busca ganhar eficiência na produção de tudo o que consumimos. No contexto da automação das fábricas, as redes industriais sem fio são um grande caminho para isso.

A explicação é simples. As redes por cabo possuem alto custo de implantação, manutenção e geram grandes dificuldades para ampliação e flexibilidade. Já as redes sem fio são mais baratas, flexíveis e alinhadas a conceitos como IIoT (Internet Industrial das Coisas), M2M (Comunicação Máquina a Máquina), smart factory e Indústria 4.0.

A utilização deste tipo de tecnologia nas fábicas é relativamente recente, da primeira década do século XXI. Mas, apesar de crescer rapidamente, ainda há muitas dúvidas sobre quais são os melhores padrões de rede sem fio para cada tipo de aplicação na indústria.

Neste artigo, a OMEGA™ vai abordar as principais redes wireless aplicadas à automação industrial, suas vantagens/desvantagens e apresentar tendências sobre o tema, bem como alguns produtos já disponíveis no mercado brasileiro.

(Fonte: Reprodução)

Automação

A automação industrial consolidou vantagens nos mais variados segmentos fabris como ganho de eficiência (economia de energia e de matérias-primas), redução da força de trabalho, maiores níveis de segurança, mais controle de qualidade e melhor processamento de dados para decisões gerenciais.

Em sistemas de produção, medição e controle mais sofisticados, os dispositivos devem estar interconectados para permitir a troca de dados de maneira ágil e acompanhamento dos processos em tempo real.

Assim, as informações sobre o desempenho da operação permitem aos gestores tomar decisões de maneira cada vez mais rápidas, assertivas e estratégicas. A automação é fundamental para isso e só pode ocorrer por meio de redes industriais.

As tradicionais redes com confirguração ponto a ponto por meio de CLP (Controlador Lógico Programável) ou ainda por Barramento (bus), quando um único cabo interliga elementos do campo, estão assimilados pela indústria.

No entanto, por utilizarem cabos, são mais caros para implantação e manutenção, menos flexíveis e limitantes quanto à compartilhamento de dados e tomada de deciões e, assim, também ao desempenho e a produtividade.

(Fonte: Reprodução)

Redes sem fio

A comunicação sem fio vem conquistando cada vez mais espaço em todos os setores industriais, não só pela conveniência de sua utilização, mas também pelo aumento da eficiência, da agilidade na tomada de decisões, facilidade de instalação e diminuição dos custos de implementação e operação.

Se na primeira década do século XXI pensar em um sistema de automação e monitoramento wireless era algo “futurista”, hoje plantas industriais já estão implementando tecnologias sem fio em diversos processos. Exemplo disso, sensores, transmissores e receptores sem fio estabelecem redes capazes de monitorar um grande número de indicadores como temperatura, pressão, vazão e etc.

Isso proporciona o controle centralizado e remoto de uma fábrica a partir de qualquer lugar do mundo por meio de uma conexão com a internet até mesmo em dispositivos móveis (telefone celular ou tablet).

Vantagens da Tecnologia Wireless

1. Redução de custos

Elimina a necessidade de fios de extensão, conduites, manutenção de cabos etc, o que torna as instalações mais barata e simples.

2. Flexibilidade

Por não demandar cabos, permite a inclusão ou exclusão de equipamentos na rede de maneira simples e rápida.

3. Comodidade

Proporciona o controle centralizado de uma fábrica a qualquer hora de forma portátil e remota.

4. Eficiência

Permite tomadas de decisão mais ágeis e assertivas, dada ao maior volume de informação acessível on line e o monitoramento remoto em tempo real.

5. Segurança

A medição sem fio é útil para a obtenção de dados em locais de difícil acesso ou condições extremas como alta temperatura, pressão, pH. Os sensores sem fio permitem que operadores supervisionem a uma distância segura.

(Fonte: Reprodução)

Protocolos sem fio

Os principais protocolos de rede sem fio aplicados atualmente na automação industrial são o ISA SP 100, o Wireless Hart, o ZigBee, o Bluetooh e o Wi-Fi. Cada um destes apresenta características próprias, com vantagens e desvantagens para possíveis aplicações e benefícios no uso industrial. Aqui detalharemos as características dos padrões Wi-Fi, Bluetooh e Zigbee.

 

WI-FI

O monitoramento sem fio pode usar a mesma tecnologia Wi-Fi que as redes domésticas ou empresariais com aparelhos de transmissão e recepção de protocolo próprio.

Este tipo de rede possui taxas de transmissão que podem chegar a mais de 120 Mbps para cobrir uma área de até 300m, aperando em frequência de rádio de 2,4 GHz ou 5 GHz. Além disso, sua tipologia de rede pode ser em malha, estrela ou árvore com até 64 pontos de acesso.

A conexão pode ser configurada para cobrir áreas ainda maiores através da utilização de repetidores e amplificadores, e, portanto, se tornar adequada a instalações de grandes dimensões.

Vantagens:

  • As velocidades de transmissão são elevadas.
  • A instalação é de baixo custo em locais onde já existe uma rede wifi.
  • Tem ligações flexíveis.
  • O protocolo de reconhecimento garante uma transmissão de dados precisa.
  • Ideal para locais de monitoramento remoto.
  • Diferentes protocolos permitem uma vasta gama de soluções que possibilitam o uso em ambientes grandes ou congestionados.

Desvantagens:

  • Pode estar sujeitos a interferências.
  • Requer uma forte segurança.

 

Bluetooth

Usa ondas de rádio para transmitir dados em curtas distâncias de até 100 metros, embora a maioria dos dispositivos tenha uma gama mais limitada devido à interferências.

A tecnologia Bluetooth transmite na gama de 2,4 a 2.485 GHz com uma taxa de transmissão de 723 kpbs a até 100 metros. Sua tipologia de rede é conhecida como piconet ou scatternet e permite até 80 nós em rede.

Esta aplicação requer chips wireless para transmitir o sinal de rádio e software para fazer conexões possíveis. Ele tem um padrão uniforme de conexão que está presente em uma variedade de dispositivos, a partir de telefones celulares e automóveis até equipamentos médicos e monitores cardíacos.

Vantagens:

  • Devido ao seu baixo consumo de energia, ele funciona bem em dispositivos que usam bateria.
  • Sendo considerado barato, pode ser usado em dispositivos de baixo custo.
  • Realiza transmissões de voz e dados simultaneamente.
  • Reduz o perigo latente.

Desvantagens:

  • O raio é limitado na maioria dos dispositivos.
  • Taxa de transferência de dados (24 Mbits/s).
  • Os seus protocolos de ligação são dispositivos incompatíveis.
  • Requer dados localmente registrados para garantir a disponibilidade ininterrupta.

 

Zigbee

Outras tecnologias sem fio são operadas por meio de emissores e receptores, que trabalham em sintonia em determinadas faixas de frequência de transmissão e com protocolos específicos para comunicação unicamente entre eles.

Este modelo alternativo à internet e ao bluetooth converte o sinal recebido em informação digital, que pode ser lida em um computador; ou em sinal analógico, que pode ser integrado a uma automação já existente; ou ainda em outro protocolo de comunicação via rede industrial.

No Brasil, geralmente, este tipo de transmissão é realizada pelo protocolo Zigbee a partir de um receptor host, antes da conversão em dados que podem ser analisados e utilizados de diversas formas.

O padrão Zigbee se baseia no protocolo IEEE 802.15.4 e oferece recursos adicionais em relação ao Wifi, como roteamento e uma rede mais robusta. Para isso, opera com taxa de transmissão de 250, 40 ou 20 kbps a uma distância máxima de 70 metros, com até 65 mil nós por redes com tipologia malha, estrela ou árvore.

Este protocolo é ideal para situações em que os dados devem ser transmitidos de ponto a ponto, mas alguns rádios encontram-se localizados fora do alcance sem fio típico. A rede em malha do Zigbee encaminha os dados entre os nós até que cheguem ao nó de destino.

Vantagens:

  • Permite roteamento
  • Redes mais robustas
  • Não depende da rede de internet
  • Mais seguro
  • Ideal para trasmissão ponto a ponto

Desvantagens:

  • Suscetível a interferências

 

Sensores sem fio

Os sensores sem fio são ferramentas de medição equipadas com transmissores utilizados para converter sinais de instrumentos de controle de processo em uma transmissão de rádio.

O sinal de rádio é interpretado por um receptor que converte o sinal sem fio em uma saída específica, tal como uma corrente analógica ou uma análise de dados feita por um software.

Seleção de um sensor sem fio

Uma série de fatores devem ser considerados na escolha de um instrumento de medição sem fio.

  • Tipo de medição: é importante compreender o que está sendo medido. Transmissores sem fio (que incorporam medição e controle de processo sem fio) tipicamente tem uma única função. Os sensores são especificamente projetados para temperatura, pressão, vazão, entre outros, e devem ser selecionados de acordo com a grandeza a ser medida.
  • Exatidão e tempo de resposta: quão exata a medição precisa ser e com que rapidez ela precisa ser atualizada? Muitos sensores sem fio são tão precisos quanto os medidores com fio; no entanto, as leituras são normalmente transmitidas a cada intervalo de alguns segundos para preservar a energia da bateria. Ao selecionar um transmissor sem fio, deve-se considerar se medições instantâneas são necessárias, pois alguns modelos podem não oferecer o tempo de resposta desejado.
  • Alcance: o alcance dos sensores varia muito. Alguns são projetados para alcance curto, aplicações internas com centenas de metros, enquanto outros sensores transmitem dados para um receptor localizado a quilômetros de distância.
    Independentemente da capacidade dos sensores, o alcance de um sinal sem fio é sempre limitado por obstruções. A transmissão através de máquinas, paredes e estruturas degrada a intensidade do sinal e reduz a capacidade de alcance. Por isso, o alcance de um transmissor utilizado internamente é menor do que o alcance desse mesmo transmissor operado em campo aberto.

 

A linha de produtos da OMEGA™ abrange medidores e transmissores sem fio, com alarmes, saídas controláveis e displays embutidos. A utilização de instrumentos sem fio irá proporcionar comodidade e capacidade.

(Fonte: Reprodução)

Disponível no Brasil

A OMEGA™ tem uma ampla gama de produtos sem fio, como sensores, medidores e transmissores para monitoramento de temperatura, pressão, vazão, entre outras grandezas. Entre eles, os transmissores da Série UWBT via Bluetooth podem transformar seu smartphone ou tablet em um dispositivo de registro de dados e monitoramento de processo.

Estes transmissores medem diferentes entradas de sensores – como termopares, termorresistências (RTD) – e transmitem dados via Bluetooth® diretamente para smartphones ou tablets. O transmissor UWBT conecta sensores de medição ao seu tablet ou smartphone, transmitindo e registrando dados diretamente em aplicativo personalizado, disponível para Android™, iOS™ e Kindle.

Vários outros produtos da OMEGA™ também utilizam tecnologia wireless, como as sondas PT 100, os medidores de pressão DPGM409, os registradores de dados OM-SQ2010, o controlador de umidade UWRH-2-NEMA e os registradores de pressão, temperatura e umidade da Série iBTX.

(Fonte: Reprodução)

  
Próximo passo

A automação industrial e os sensores sem fio somados a tecnologias como a IIoT (Internet das Coisas na Indústria) levam as máquinas a conversarem entre si (M2M). Em condições ideais, isso poderia eliminar a sala de controle e, possivelmente, criar uma fábrica auto-regulável.

A “conversa entre máquinas” associada ao Big Data (já chamado SmartData) são a base do que é conhecido como a Indústria 4.0 que, potencialmente, levariam as unidades produtivas a patamares de eficiência e, até mesmo inteligência de mercado, próximos à perfeição.

Entre as vantagens, segundo a consultoria Mckinsey, a Indústria 4.0 reduzirá os custos de manutenção entre 10% e 40% e o consumo de energia em até 20%, enquanto aumentaria a eficiência no trabalho em 25%.

 Essa mudança chega para a fabricação de modo tão importante quanto foi a chegada do motor a vapor, o interruptor de energia elétrica, a adoção de tratamentos informatizados de dados e a automação de fabricação.

(Fonte: Reprodução)

Aplicações

Para a fabricação e processos industriais, a promessa da IIoT é dupla:

  1. Os sensores e atuadores em rede serão equipados com controle distribuído, autônomo, que responde aos eventos conforme o necessário. A qualidade de saída melhorará conforme a variação é eliminada e a produtividade aumentará com a redução de resíduos e desperdícios. Por exemplo, o monitoramento dos níveis de luz refletidos pode permitir que um processo de impressão seja adaptado às mudanças em revestimentos de material. Como alternativa, um processo poderá ser adaptado quanto ao aquecimento e tempos de secagem para atender o conteúdo variável de umidade dos insumos.
  2. Com o crescimento da capacidade de monitorar ativos físicos, especialmente aqueles amplamente distribuídos, os equipamentos sinalizarão sua “saúde física”. As falhas se tornarão uma coisa do passado, já que a manutenção se tornará mais precisa, prolongando a vida útil do ativo e aumentando o retorno sobre o investimento. Por exemplo, uma bomba pode monitorar as pressões, temperaturas e a vibração. Uma mudança na assinatura levaria à identificação das peças que precisam de troca, a verificação se elas já estão em estoque e a criação de um pedido, caso estejam em falta. O ativo então se comunicaria com o sistema de controle de produção para agendar o tempo de inatividade e até mesmo para imprimir uma ordem de trabalho para o técnico, quando for hora de realizar o trabalho.
(Fonte: Reprodução)

Questões

Sempre que se discute sobre a IIoT, os desafios que podem ser enfrentados são mencionados. Esses desafios incluem:

  • Energia — quando uma fonte de 24V está indisponível, a alternativa são as baterias de longa vida, juntamente com estratégias inovadoras de standby/”Wake-On-LAN” para minimizar o consumo de energia. Além disso, alternativas de Wi-Fi de baixa energia estão surgindo para ampliar ainda mais a vida útil da bateria.
  • De foco no futuro, as técnicas de coleta de energia podem fornecer energia “livre” para a vida do dispositivo.
  • Segurança — os usuários industriais de dispositivos inteligentes reconhecem os riscos de comunicações identificadas e demandarão, cada vez mais, que os fornecedores incorporem garantias adequadas e protocolos de criptografia.
  • Proteção de dados — Todas as transações de medição são reconhecidas com repetições automáticas e recursos à prova de falhas estão em vigor para fornecer registro de dados locais em cada ponto de rede possível.
  • Alcance — protocolos de Bluetooth e Wi-Fi 33 têm um alcance limitado, mas alguns dispositivos funcionam em mais de 1000 m (3280′). Paredes e outros obstáculos reduzirão o alcance.
  • Taxas de dados — quando os dispositivos transmitem uma base de amostra, a taxa de dados raramente é um problema. No entanto, isso poderia se tornar um problema no futuro, com o crescimento da quantidade de dados a ser enviada. As taxas de transmissão de dados adaptativas com base nas alterações do valor medido podem atenuar o congestionamento da rede, conforme a quantidade de dados aumenta.
  • Validade dos dados — monitoramento do sensor de saúde e vida para uma manutenção preditiva.
  • Imunidade de interferência. Os equipamentos elétricos, especialmente motores ou qualquer coisa que crie um arco, podem causar interferência eletromagnética. Isso pode levar à perda de dados ou alcance reduzido. É preciso considerar esses fatores ao localizar emissores e receptores.

 

Conclusão

A evolução das redes são determinantes e centrais no desenvolvimento da automação industrial. O uso da tecnologia sem fio neste campo traz uma série de vantagens como preço, comodidade, eficiência, flexibilidade e segurança e aponta para as novas tendências tecnológicas. Entre elas, a “Internet Industrial das coisas” (IIoT), a comunicação máquina a máquina (M2M) e a Indústria 4.0, que engloba também conceitos como BigData (ou SmartData) ou SmartFactory, entre outros.

Embora ainda haja muito caminho para adoção ampla e completa destas tencologias, alguns dispositivos já disponíveis aproximam a realidade atual a este promissor futuro das fábricas. Entre eles, os sensores, transmissores e receptores sem fio oferecidos pela OMEGA™ no Brasil são referência tecnológica para controle e medição de procesos de várias grandezas como temperatura, pressão, umidade, pH, vazão e condutividade em dezenas de setores industriais.

Estes equipamentos contribuem para um melhor monitoramento e resposta mais rápida nas operações industriais, o que poupa recursos e capital dos empresários, e a segurança, o tempo e a produtividade dos colaboradores.