Gerenciamento descentralizado de redes sem fio industriais segundo o padrão WirelessHART

Abstract

O uso de equipamentos sem fio em sistemas de monitoramento e controle de processos industriais vem aumentando gradativamente. Os elevados custos de cabeamento incentivam os gerentes de fábricas para que considerem o uso de sistemas industriais sem fio, uma vez que estes promovem grandes reduções nos custos de instalação finais. Entretanto, a robustez do enlace de rádio frequência e os requerimentos de comunicação em tempo real são frequentemente citados como obstáculos reais para o uso de tecnologias sem fio na indústria. À frente das demais organizações, a HART Foundation lançou em 2007 o WirelessHART, sendo este o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio especificamente desenvolvido para ambientes industriais. Apesar de ser um protocolo seguro e de propiciar comunicação em tempo real, o estudo aprofundado do WirelessHART revela diversas possibilidades de melhorias. Nesse protocolo, o gerenciamento da rede é feito de forma centralizada, o que garante maior simplicidade e controle sobre o escalonamento, roteamento e a segurança das mensagens. Por outro lado, grandes latências, especialmente nos processos de conexão e desconexão de nós, impossibilitam o uso de dispositivos móveis ou intermitentes. A concentração do gerenciamento em um só elemento também leva à fragilidade do sistema: na falha do gerenciador central, toda rede fica inoperante. Neste trabalho, é apresentada uma arquitetura de rede WirelessHART inovadora, que utiliza coprocessadores gerenciadores distribuídos para possibilitar a descentralização do gerenciamento e consequentemente as suas vantagens. O sistema desenvolvido permite diferentes configurações descentralizadas, parciais ou totais, e com mínimas modificações no protocolo original. A arquitetura de rede proposta mantém os dispositivos de campo com suas características originais, de baixo custo e consumo, além de permitir a coexistência com equipamentos certificados. A metodologia para a descentralização é apresentada e o estudo de caso realizado permite a avaliação da proposta. A originalidade deste trabalho é verificada através do estudo do estado da arte. Os resultados obtidos de um estudo de caso demonstram o grande potencial da proposta, com reduções significativas nos tempos de agregação e manutenção da rede. A proposta de descentralização possibilita configurações e modos operacionais antes impossíveis no WirelessHART, tais como o uso de dispositivos móveis ou intermitentes e o emprego de técnicas de handover.

The use of wireless devices in industrial systems for process monitoring and control has been gradually increasing. The high costs of cabling encourage plant managers to consider the use of such industrial wireless systems, since they promote large reductions in final costs. However, the link robustness and the real-time communication requirements are frequently cited as real obstacles to the use of wireless technologies in the industry. Ahead of other organizations, the HART Foundation launched the in 2007WirelessHART, which is the first open standard for wireless communications developed specifically for industrial environments. WirelessHART is a reliable and secure protocol and provide real-time communications but the thorough study of this protocol reveals several possibile improvements. In this protocol, network management is done centrally, ensuring simplicity and control over the scheduling, routing and messaging security. Moreover, large latency, especially in the connection and disconnection processes of field devices, preclude the use of mobile or intermittent devices. The concentration of one element in management also leads to the system fragility: if the central manager fails the entire network fail. In this work, a innovative WirelessHART network achitecture is presented and implemented by means of hardware-based distributed network manager coprocessors to enable decentralization and its blessings. The developed system allows different decentralized, partial or total architectures with minimal changes to the original protocol. A hardware-based solution maintains field devices with its low cost and consumption features and allow coexistence with certified equipment. The decentralization methodology along with its originality is presented and case study allows the evaluation of the proposal. The results demonstrate the architecture has great potential with significant reductions in join and maintenance times. The proposed decentralization enables configurations and operating modes previously impossible in WirelessHART such as the use of mobile or intermittent devices and handover techniques.