¨¦ evidente o crescimento da oferta e aceita??o de redes sem fio (wireless) no meio industrial. Quest?es como confiabilidade, seguran?a, lat¨ºncia e determinismo s?o diferentemente abordadas por protocolos sem fio como Wireless HART, ISA 100.11a, ZigBee, entre tantos outros. Estes protocolos enquadram-se numa categoria mais ampla denominada ¡°Redes de Sensores Sem Fio¡± e h¨¢ grande quantidade de material publicado e produtos j¨¢ dispon¨ªveis nesta categoria de redes de sensores sem fio.??

O padr?o el¨¦trico de redes de comunica??o cabeada mais difundido na ¨¢rea de manufatura industrial ¨¦ o EIA/TIA-485 (RS-485). E nestas redes destaca-se o protocolo Modbus RTU, um protocolo simples e com imensa oferta de produtos em todo o mundo.??

A maioria dos conversores de comunica??o cabeada para dispositivos sem fio imp?em desafios de aplica??o com o protocolo Modbus RTU, devido ¨¤ dificuldade em ajustar os tempos de comunica??o. Especialmente em redes que operam produtos de diferentes fabricantes, ¨¦ muito dif¨ªcil configurar os conversores para garantir que os pacotes de comunica??o Modbus RTU n?o sejam fracionados durante o processo de comunica??o. O fracionamento pode provocar erro de comunica??o com alguns dispositivos da rede, aumentando o tr¨¢fego com tentativas e causando grande degrada??o de desempenho.??

Este artigo apresenta solu??es para a cria??o de redes ou sub-redes Modbus RTU sem fio facilmente integr¨¢veis aos sistemas cabeados baseados neste mesmo protocolo. Para prover a conectividade sem fio ¨¦ adotado o padr?o IEEE 802.15.4, o mesmo utilizado na grande maioria dos sistemas de ¡°Redes de Sensores Sem Fio¡±. Caracter¨ªsticas inerentes ao protocolo Modbus RTU, como o r¨ªgido requisito temporal, forma??o e delimita??o de pacotes, baixa velocidade, n¨²mero de escravos e mestre ¨²nico s?o tratados pelo AirGate-Modbus para garantir a correta opera??o do protocolo Modbus RTU, mesmo quando operando sem fios.??

Criando redes Modbus RTU sem fio?

AirGate-Modbus ¨¦ um gateway que integra redes Modbus RTU sobre RS485 em uma ou mais redes sem fio IEEE 802.15.4. Essa integra??o ¨¦ realizada de forma transparente para a rede Modbus, assim possibilitando a simples substitui??o de longos trechos de cabeamento por segmentos sem fio.??

Cada gateway disp?e de tr¨ºs interfaces de comunica??o: USB, RS-485 e IEEE 802.15.4. Diferentes arranjos entre as redes cabeadas e sem fio s?o poss¨ªveis, de acordo com a configura??o de cada uma destas interfaces.??

A interface IEEE 802.15.4 opera em topologia estrela e permite que m¨²ltiplas estrelas sejam configuradas, viabilizando a solu??o de problemas complexos de conectividade sem fio. O gateway utiliza mecanismos internos do padr?o IEEE 802.15.4 para garantir a opera??o da comunica??o sem fio mesmo sob interfer¨ºncia de outros dispositivos operando na mesma faixa de frequ¨ºncia. A sele??o autom¨¢tica do canal de comunica??o (de um total de 16) ¨¦ feita baseada no mecanismo Energy Detection (detec??o da energia) e Quality of Signal (qualidade do sinal), combinados com a taxa de erro na comunica??o Modbus RTU sem fio. Este mecanismo promove a troca autom¨¢tica de canal sempre que h¨¢ queda de desempenho ou qualidade na rede sem fio. A frequ¨ºncia central de opera??o ¨¦ de 2,4 GHz, com pot¨ºncia de 20 dBm (100 mW), resultando em um raio de alcance de 1000 m em campo aberto e de cerca de 100 m no interior de edifica??es (o alcance no interior de edifica??es depende do n¨²mero e tipo de obst¨¢culos entre os equipamentos sem fio).??

N¨²mero m¨¢ximo de dispositivos na rede RS485

A norma TIA/EIA-485, conhecida popularmente como RS485, n?o define o n¨²mero m¨¢ximo de dispositivos interligados em uma rede. Ela menciona uma s¨¦rie de parametros que podem ser utilizados para o c¨¢lculo deste limite. Alguns destes parametros s?o os seguintes:

• Limite inferior para a resist¨ºncia de carga resultante no barramento.
• Valor de resist¨ºncia que cada dispositivo da rede representa no barramento, denominada ¡°Carga Unit¨¢ria¡± (15 k?).
• Valor m¨ªnimo de corrente que o driver (transmissor) de um dispositivo RS485 deve ser capaz de fornecer.

A partir destes dados, e considerando a necessidade de resistores de termina??o nos dois extremos do barramento, pode ser calculado o limite de 32 dispositivos com carga unit¨¢ria para um barramento de comunica??o RS485. Lembrando que recomenda-se a utiliza??o de resistores de termina??o de 120 ?, cujo valor resultante corresponde a 60 ?.

Atualmente, est?o dispon¨ªveis equipamentos RS485 com carga inferior ¨¤ unit¨¢ria, sendo usuais os valores de 1/2, 1/4 e 1/8 da carga unit¨¢ria. Para ampliar o n¨²mero de dispositivos em uma rede RS485 para 256, uma solu??o poss¨ªvel ¨¦ utilizar apenas dispositivos com 1/8 da carga unit¨¢ria. Os equipamentos da NOVUS Automation utilizam drivers de 1/8 de carga desde 2008. Como em muitas aplica??es h¨¢ tamb¨¦m aparelhos n?o fabricados pela NOVUS no barramento, o c¨¢lculo te¨®rico do n¨²mero m¨¢ximo de dispositivos na RS485 rede pode ser mais dif¨ªcil.

Em aplica??es menores, onde o comprimento dos cabos da rede ¨¦ curto e/ou a velocidade de comunica??o ¨¦ baixa, pode ser poss¨ªvel eliminar os resistores de termina??o. Isto permite aumentar a capacidade de dispositivos da rede de 32 para 282 dispositivos! Desta forma, ¨¦ uma opera??o confi¨¢vel, nestas condi??o, n?o ¨¦ garantida.

Por fim, para usu¨¢rios do protocolo Modbus RTU sobre o barramento RS485, deve-se salientar que um eventual aumento no n¨²mero de dispositivos f¨ªsicos na rede RS485 poder¨¢ esbarrar no limite l¨®gico de escravos do Modbus RTU, que ¨¦ de 247.

Por ser um dispositivo dedicado ao protocolo Modbus RTU, o gateway AirGate-Modbus assegura o n?o fracionamento de pacotes Modbus RTU, o que garante sua n?o deteriora??o na transmiss?o sem fio. Este dispositivo ainda realiza a verifica??o pr¨¦via dos pacotes Modbus, n?o transmitindo pacotes que contenham erros, o que contribui para a minimiza??o do tr¨¢fego na rede.?

Aplica??es t¨ªpicas do gateway Modbus para redes sem fio?

Os dispositivos gateway AirGate-Modbus s?o aplic¨¢veis na simples elimina??o de cabos em sistemas j¨¢ instalados, em novos projetos ou amplia??es de sistemas de automa??o industrial que requeiram funcionalidades mais avan?adas, como multiplexa??o de mestres Modbus, m¨²ltiplos segmentos de rede cabeada interligados por wireless e uso de repetidores para amplia??o de alcance. Algumas destas aplica??es s?o ilustradas a seguir.?

? ?1. Inclus?o de segmentos sem fio em rede cabeada j¨¢ existente ?

Em sistemas onde j¨¢ existe uma rede Modbus RTU operando em RS-485 ¨¦ poss¨ªvel incluir cobertura sem fio para comunica??o com outros segmentos cabeados. Este tipo de situa??o ¨¦ t¨ªpica em expans?es de rede onde a instala??o de novos cabos ¨¦ dif¨ªcil ou n?o desej¨¢vel. A inclus?o de um gateway em qualquer ponto da rede j¨¢ existente e de outros gateways em qualquer ponto dos novos segmentos cabeados permitir¨¢ a comunica??o plena como se fosse uma rede Modbus RTU ¨²nica. A Figura 1 ilustra esta aplica??o.?

? ?2. Conex?o direta do gateway ¨¤ porta USB do PC SCADA ?

Em aplica??es de supervis?o baseadas em computadores PC, o gateway pode ser conectado diretamente ¨¤ interface USB do computador, realizando simultaneamente a convers?o desta para RS-485 e IEEE 802.15.4. Da interface RS-485 do gateway pode partir a rede cabeada para comunica??o com os escravos Modbus RTU. Outros gateways instalados dentro do alcance do primeiro permitem a comunica??o sem fio com outras redes cabeadas ligadas a eles, conforme ilustra a Figura 2.?

? ?3. Uso do gateway para multiplexar dois mestres na rede sem fio??

O protocolo Modbus RTU define que a rede pode ter apenas um mestre, o que imp?e restri??es t¨¦cnicas em v¨¢rias aplica??es de supervis?o. O AirGate-Modbus aceita a conex?o de 2 mestres, um na interface USB (tipicamente um PC) e outro na interface RS-485 (tipicamente uma IHM ou CLP). As requisi??es de comunica??o destes 2 mestres s?o controladas pelo gateway e enviadas alternadamente para os escravos atrav¨¦s da interface IEEE 802.15.4, sendo as respostas recebidas retornadas ao mestre correto. A Figura 3 ilustra esta aplica??o.?

? ?4. Uso de gateways adicionais para ampliar alcance de redes sem fio?

Para ampliar o alcance da rede sem fio, podem ser instalados gateways adicionais, que ir?o formar sub redes sem fio adicionais, em uma estrutura tipo ¨¢rvore, conforme ilustra a Figura 4.?

? ?5. Fun??o Repetidor com aplica??o estrela?

Diferentes topologias de rede wireless poder?o ser formadas com o AirGate-Modbus. Ao atualizar o AirGate-Modbus atrav¨¦s de sua interface USB, utilizando o software de configura??o DigiConfig, os equipamentos que estiverem configurados como RS485-Slaves automaticamente se adaptar?o aos requisitos da rede. Quando neste modo de opera??o, o AirGate-Modbus passar¨¢ a desempenhar a fun??o de repetidor sem fio, uma vez que encontre a necessidade de estender a rede wireless a qual este esteja integrado. ¨¦ importante salientar que esta fun??o ¨¦ habilitada instantaneamente quando o equipamento for configurado como RS485-Slaves, sem a necessidade de nenhuma configura??o extra.??

Como exemplificado na figura abaixo, para expandir a rede, um AirGate-Modbus configurado como RS485 SLAVES (Firmware > 1.23) foi inserido com a mesma PAN ID (5670). Em outro segmento foram conectados dois AirGates atrav¨¦s de suas interfaces RS485, um AirGate-Modbus operando no modo RS485-SLAVES a um AirGate-Modbus operando no modo RS485-MASTER. Neste segmento uma nova PAN ID (5671) foi criada, iniciando uma nova rede estrela.?

O protocolo Modbus RTU, com sua grande e crescente base instalada, pode se beneficiar da tecnologia de comunica??o sem fio, desde que sejam tomados cuidados t¨¦cnicos para evitar o excesso de erros de comunica??o. O uso de conversores gen¨¦ricos para comunica??o Modbus RTU sobre radiofrequ¨ºncia pode elevar a taxa de erros de comunica??o, sendo mais adequada a ado??o de dispositivos que considerem as caracter¨ªsticas peculiares deste protocolo durante o processo de convers?o.??

O dispositivo AirGate-Modbus ¨¦ dedicado a este tipo de convers?o, mas possui funcionalidades ainda maiores, caracterizando-se como um gateway de comunica??o, permitindo desde a simples elimina??o de cabos at¨¦ funcionalidades complexas como a multiplexa??o de mestres Modbus e estrutura??o de m¨²ltiplas redes, cabeadas e n?o cabeadas. Os exemplos de aplica??o apresentados permitem vislumbrar as possibilidades que a tecnologia sem fio oferece ao difundido e consolidado protocolo Modbus.??

Refer¨ºncias:?

IEEE Std 802.15.4-2003, IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific Requirements – Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs).

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Para manter a viabilidade de produtos, estar monitorando umidade e temperatura precisa ser uma prioridade. Quando tratamos de sa¨²de, todo cuidado ¨¦ fundamental: altera??es f¨ªsicas ou qu¨ªmicas de medicamentos causam danos que podem inclusive resultar na perda de sua efic¨¢cia. Da¨ª surge a importancia do controle rigoroso e adequado de se manter monitorando temperatura e umidade em ambientes da ind¨²stria farmac¨ºutica, como laborat¨®rios e salas limpas.

Umidade e temperatura registrados: um case real

Uma empresa do segmento farmac¨ºutico de Barueri, na grande S?o Paulo, apresentou para a NOVUS o desafio de implementar um sistema de monitoramento nas suas novas instala??es, sem trazer mudan?as na infraestrutura.

O objetivo principal da empresa era obter a libera??o do laborat¨®rio junto aos ¨®rg?os regulamentadores para a produ??o de medicamentos e f¨®rmulas, de forma que o sistema montado deveria ser valid¨¢vel e possuir rastreabilidade metrol¨®gica.

Existem regras, como a RDC 17/2010, da ANVISA, e a FDA21 CFR Parte 11, que disp?em sobre as boas pr¨¢ticas e fabrica??o de medicamentos. Entre as obriga??es, est¨¢ o monitoramento de temperatura ambiente e umidade relativa em sistema de registro em ambientes de armazenamento e manipula??o de f¨¢rmacos e imunol¨®gicos, considerando os requisitos de cada tipo de produto. Os dados coletados e registrados devem ser mantidos por at¨¦ cinco anos e estar dispon¨ªveis para consulta. Com estas informa??es registradas, ¨¦ poss¨ªvel rastrear lotes dos produtos manipulados pelo laborat¨®rio, assegurando assim a garantia da qualidade do fabricante.

Monitoramento remoto e valid¨¢vel

Para a situa??o do laborat¨®rio de Barueri, a NOVUS criou com uma solu??o turn key que poderia preencher todas as necessidades do cliente: montar sistema de monitoramento de umidade e temperatura remoto, sem modificar a estrutura, com produtos que garantissem a leitura e armazenamento de dados de forma confi¨¢vel e segura.

O fato de um ¨²nico fornecedor ser capaz de oferecer toda a solu??o foi um ponto essencial para que a empresa fechasse o contrato, uma vez que compraria n?o apenas os produtos, mas ainda a instala??o, calibra??o e valida??o do sistema. Esse detalhe trouxe muita confiabilidade para o cliente, principalmente por saber a quem recorrer no caso de adapta??es de projeto ou reparos.

O grande destaque da instala??o fica por conta do RHT-Air: solu??o totalmente sem fio para medi??o de temperatura e umidade em longas distancias. O dispositivo RHT-Air permite a configura??o e leitura dos parametros atrav¨¦s da rede wireless, sobre IEEE 802.15.4, em at¨¦ 1 km, trazendo praticidade e efici¨ºncia para a aplica??o. Por funcionar sem a necessidade de cabos e fios, possui uma instala??o simplificada, sem a necessidade de mudan?as na estrutura do pr¨¦dio, sendo assim a op??o ideal para o laborat¨®rio de Barueri. Caso exista a necessidade de amplia??o da rede de telemetria, bastar¨¢ fixar o novo sensor onde necess¨¢rio e configur¨¢-lo ¨¤ distancia! Finalmente, o RHT-Air opera em uma rede wireless pr¨®pria, sem a necessidade de utilizar a estrutura de TI da empresa, permitindo sua opera??o stand alone.

O projeto para monitoramento de temperatura e umidade instalado no laborat¨®rio de Barueri ¨¦ formado por quatro pain¨¦is de aquisi??o de dados, compostos por FieldLoggers ¨C m¨®dulo de leitura e registro de vari¨¢veis, de alto desempenho, grande resolu??o e velocidade ¨C e AirGates Modbus, que atuam como interface de liga??o entre uma rede com protocolo Modbus RTU sobre RS485 e uma rede sem fio com protocolo propriet¨¢rio sobre IEEE 802.15.4. Al¨¦m disso, o projeto possui quatro pain¨¦is repetidores, tamb¨¦m equipados com AirGate Modbus.

Solu??o completa para monitoramento de umidade e temperatura

Uma vez que o sistema ¨¦ validado dentro das normas, a aplica??o j¨¢ ter¨¢ o pay-back caso passe na primeira auditoria. A principal raz?o de o cliente ter escolhido a NOVUS foi pela possiblidade de obter tudo que necessitava de um mesmo fornecedor, reunindo todos os aspectos necess¨¢rios para a implanta??o do sistema inclusive pela facilidade de implementa??o, pela tecnologia wireless e flexibilidade da solu??o em expandir. Al¨¦m disso, a capacidade da NOVUS para negociar condi??es exigidas e o know-how da empresa no segmento da sa¨²de foram fundamentais na escolha.

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