Redes Sem Fio Industriais WirelessHART e ISA100

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JOURNAL OF INDUSTRIAL WIRELESS SYSTEMS & AUTOMATION | VOL. 11
Modelagem de Confiabilidade e Latência em Redes WirelessHART e
ISA100.11a Sob Desvanecimento de Rádio Severo
Dr. Alexandre V. Siqueira1, Eng. Renata K. Duarte2
RESUMO
Ambientes industriais como refinarias de petróleo e usinas siderúrgicas apresentam múltiplos obstáculos metálicos, causando
intenso desvanecimento por múltiplos percursos (*multipath fading*) e interferência eletromagnética em redes sem fio. Este
artigo apresenta um modelo estocástico baseado em Cadeias de Markov de Tempo Discreto para comparar a confiabilidade da
entrega de pacotes e a latência determinística dos padrões WirelessHART (IEC 62591) e ISA100.11a (IEC 62734). Através do
uso de salto em frequência (Channel Hopping) na faixa de 2.4 GHz, demonstrou-se que ambos os protocolos atingem mais de
99.8% de confiabilidade na transmissão, com o WirelessHART apresentando menor variação de latência em malhas abertas de
monitoramento.
Palavras-chave: WirelessHART, ISA100.11a, Redes de Sensores Sem Fio, TDMA, Channel Hopping.
1. INTRODUÇÃO
A instalação de fiação física para instrumentação em plantas
industriais de grande porte representa uma parcela expressiva
do custo total de capital (CAPEX). Nesse cenário, as Redes
de Sensores Sem Fio Industriais (IWSN) tornaram-se
indispensáveis para a expansão do monitoramento de ativos.
Entretanto, o canal sem fio industrial é notoriamente hostil,
caracterizado por atenuações variáveis, sombras provocadas
por estruturas metálicas móveis e interferências de sistemas
Wi-Fi operando na mesma banda ISM não licenciada de 2.4
GHz.
Para prover robustez equivalente à das conexões cabeadas,
tanto o protocolo WirelessHART quanto o ISA100.11a
utilizam a física do padrão IEEE 802.15.4 combinada com
agendamento temporal rígido (TDMA) e saltos de frequência
pseudo-aleatórios.
2. MECANISMOS DE ROBUSTEZ DE RÁDIO
O canal de radiofrequência é dividido em 16 canais distintos
espaçados por 5 MHz na faixa de 2.4 GHz.
A cada slot temporal de 10 ms (*time slot*), os nós
transmissores alteram o canal físico de comunicação segundo
uma sequência pré-definida de salto (*channel hopping
sequence*).
Se um canal sofrer interferência pontual de um ponto de
acesso Wi-Fi vizinho, a retransmissão do pacote no slot
seguinte ocorrerá automaticamente em uma frequência
desimpedida, eliminando a perda prolongada de dados.
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3. ARQUITETURA DE REDE MESH E TDMA
Diferente das redes sem fio residenciais ponto-a-ponto, as
redes industriais operam em topologia de malha (*Mesh*),
onde cada transmissor de campo atua também como roteador
para seus nós vizinhos.
Gateway
Nó A Nó B Nó C
Figura 1: Redundância de caminhos na topologia Mesh
industrial.
O Gerenciador de Rede (*Network Manager*) calcula
rotas redundantes para cada transmissor de pressão ou
temperatura, garantindo pelo menos dois caminhos físicos
independentes até o Gateway central.
4. COMPARATIVO ENTRE WIRELESSHART
E ISA100.11A
Embora ambos compartilhem a mesma camada física IEEE
802.15.4, existem diferenças fundamentais nas camadas
superiores do protocolo.
Característica WirelessHART ISA100.11a
Tamanho do Slot
TDMA
Fixo em 10.0 ms
Configurável (10
a 12 ms)
Camada de Rede
Proprietária
HART
IPv6 / 6LoWPAN
Suporte Sub-GHz
Não (Apenas 2.4
GHz)
Sim (Opcional
Sub-GHz)
Grau de
Interoperabilidade
Específico de
Campo
Suporta
Múltiplos Perfis
A pilha simplificada do WirelessHART reduz a sobrecarga
de memória do microcontrolador do dispositivo de campo,
prolongando a vida útil das baterias internas de lítio para até
10 anos em atualizações a cada 30 segundos.
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5. TESTES DE CAMPO E DESEMPENHO DE
ENTREGA
Instalou-se uma rede com 20 nós de vazão e nível em uma
área de tanques de combustível sob condições severas de
atenuação por barreiras metálicas densas.
A taxa de entrega bem-sucedida de pacotes (Packet
Delivery Ratio - PDR) foi monitorada ao longo de 30 dias em
ambas as tecnologias.
Intervalo de Publicação (Segundos)
P
D
R
 (
%
)
WirelessHART (99.85%)
ISA100.11a (99.72%)
Figura 2: Taxa de entrega de pacotes em função da taxa de
amostragem.
Os resultados demonstraram que o mecanismo estrito de
tempo fixo do WirelessHART resultou em uma estabilidade
ligeiramente superior em ambientes altamente dinâmicos
com movimentação de maquinário pesado.
6. CONSUMO ENERGÉTICO E VIDA ÚTIL
DAS BATERIAS
O tempo de vida operacional do transmissor depende do
tempo no estado de escuta passiva (*idle listening*) durante
a janela TDMA.
Taxa de Envio
(Update Rate)
Vida Bateria
HART
Vida Bateria
ISA100
1 segundo 2.1 Anos 1.8 Anos
4 segundos 5.8 Anos 5.2 Anos
10 segundos 9.4 Anos 8.7 Anos
60 segundos 14.2 Anos 13.1 Anos
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7. DISCUSSÃO
A análise comparativa evidencia que ambas as tecnologias
atingiram o nível de maturidade necessário para aplicação
comercial segura em monitoramento de variáveis industriais
não críticas para o trip imediato da planta.
Enquanto o WirelessHART destaca-se pela extrema
simplicidade de comissionamento e total compatibilidade
retroativa com os sistemas HART cabeados existentes, o
ISA100.11a oferece maior flexibilidade arquitetural devido
ao suporte nativo ao endereçamento IP (6LoWPAN).
8. CONCLUSÃO
As redes de sensores sem fio baseadas nos padrões IEC
62591 e IEC 62734 oferecem taxas de confiabilidade
superiores a 99.7% mesmo sob severas interferências em
ambientes industriais complexos.
O agendamento TDMA integrado ao salto contínuo de
frequências (Channel Hopping) e topologia em malha provou
ser a combinação ideal para superar as desvantagens do meio
propagológico sem fio no chão de fábrica.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] International Electrotechnical Commission, "Industrial networks
- Wireless communication network and communication profiles -
WirelessHART," IEC Standard 62591, 2016.
[2] International Electrotechnical Commission, "Industrial networks
- Wireless communication network and communication profiles -
ISA100.11a," IEC Standard 62734, 2019.
[3] Chen, D. et al., "Real-time performance evaluation of
WirelessHART networks in harsh industrial environments," IEEE
Transactions on Control Systems Technology, vol. 26, no. 4, pp.
1320-1331, 2018.
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