Este documento discute comunicações wireless em ambientes industriais, incluindo requisitos para aplicações de automação industrial, soluções wireless existentes e novas aplicações como monitorização não-invasiva e vending industrial. Também propõe uma solução para comunicações wireless determinísticas em ambientes com múltiplas tecnologias sem fio.

1. COMUNICAÇÕES WIRELESS EM AMBIENTES INDUSTRIAIS
JOSÉ FONSECA
PAULO BARTOLOMEU
JOAQUIM FERREIRA
Instituto de Comunicações, Universidade de Aveiro (DETI), Microio
Universidade de Aveiro (DETI)
Instituto de Comunicações, Universidade de Aveiro (ESTGA)
Fundação Champalimaud
Lisboa, 7 de Junho de 2018

2. REDES INDUSTRIAIS
São aquelas que interligam dispositivos seja para automação ou monitorização em ambientes industriais, tais como indústria
de processo, batch, óleo & gás, utilities, …
INDUSTRIAL INTERNET OF THINGS (IIOT)
Paradigma que engloba a rede de objetos físicos que incluem tecnologias embutidas para sensorizar, coletar dados, interagir
com os seus estados internos ou externos e comunicar através de redes com ou sem fios.
INDUSTRIAL CYBERPHYSICAL SYSTEMS (ICPS)
Sistemas resultantes da combinação e coordenação estreitas entre elementos computacionais e físicos, incluindo a sua
representação digital (virtual) atuando em rede em ambiente industrial.
NOTA - potencial de mercado de USD 700bi em 2023.
[1] Gidlund, et al, “Guest Editorial: From Industrial Wireless Sensor Networks to Industrial Internet of Things”, IEEE Transactions on Industrial Informatics,
vol.14, no.5, May 2018.
[2] Colombo et al, “Industrial Cyberphysical Systems: A Backbone of the Fourth Industrial Revolution”, IEEE Industrial Electronics Magazine, March 2017.
[3] Cheng et al, “Industrial Cyberphysical Systems: Realizing Cloud-Based Big Data Infrastructures”, IEEE Industrial Electronics Magazine, March 2018.
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3. COMUNICAÇÕES WIRELESS PARA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
O suporte das aplicações industriais e IIoT pela infraestrutura de comunicações (sejam elas wired ou wireless) implica
um conjunto de requisitos tais como (sem enumeração exaustiva):
• Confiabilidade, incluindo segurança (safety & security)
• Latência limitada e adequada às aplicações
• Escalabilidade
• Flexibilidade na instalação
• Self-healing
• …
Na última década as soluções wireless começaram a aparecer em aplicações de automação relacionadas com:
• Sistemas de controlo (ainda com limitações de velocidade)
• Monitorização
A utilização de wireless em sistemas de controlo implica muitas vezes aplicações de segurança crítica e, em consequência
requer operação em tempo-real.
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4. REQUISITOS PARA ALGUNS DOMÍNIOS DE AUTOMAÇÃO
Domínio da Aplicação Frequência de atualização Nós / m2 Taxa de perda de tramas
Automação de Edifícios Segundos 1 – 20 < 10−3
Automação de Processos 10 – 1000 ms 1 – 20 < 10−5
Automação Industrial 500 μs – 100 ms 20 – 100 < 10−9
Automação de Subestações 250 μs – 50 ms 1 – 10 < 10−9
Controlo DC de alta tensão 10 – 100 μs 300 – 500 < 10−9
[4] Gidlung et al, “Will 5G Become Yet Another Wireless Technology for Industrial Automation?”, in Proceedings 18th IEEE International Conference
Industrial Technology, Toronto, Canada, March 2017.
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5. SOLUÇÕES WIRELESS PARA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
Normalmente as soluções industriais são baseadas em protocolos standard para outras aplicações, tipicamente:
• WiFi (IEEE 802.11)
• Bluetooth (IEEE 802.15.1)
• IEEE 802.15.4 (às vezes confundido com ZigBee)
Alguns exemplos de protocolos:
• Wireless Interface for Sensors and Actuators (WISA)
• WSAN Air Interface Specification – baseada no WISA
• IWLAN – baseada em WiFi
• ISA SP100.11a - IEC 62734:2014
• Wireless Networks for Industrial Automation – Process Automation (WIA-PA) – IEC62601:2015
• WirelessHART - IEC 62591:2016
[5] Bartolomeu et al, “Survey on low power real-time wireless MAC protocols”, Journal of Network and Computer Applications, Volume 75, November 2016.
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6. WIRELESS EM AMBIENTES ABERTOS
Comunicações wireless em aplicações de tempo real podem sofrer ameaças na sequência de disputas pela utilização
do meio de transmissão:
• Devidas a um significativo número de elementos com a mesma tecnologia de comunicação.
• Devido a outros elementos usando tecnologias baseadas em contenção.
Por exemplo, o IEEE 802.15.4e tenta minorar os problemas de acesso ao meio através de soluções tais como:
• TSCH (Time slotted channel hopping)
• DSME (Deterministic and Synchronous multi-channel extension)
• LLDN (Low Latency Deterministic Network) – só estrela!
[6] Bartolomeu et al, “Supporting Deterministic Wireless Communications in Industrial IoT”, IEEE Transactions on Industrial Informatics (Early Access), April
2018.
[7] Guglielmo et al, “IEEE 802.15.4e: A survey”, Elsevier Computer Communications 88 (2016).
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7. COMUNICAÇÕES WIRELESS DETERMINÍSTICAS: UMA SOLUÇÃO
A combinação de técnicas de camada física e de MAC pode mitigar o problema:
[8] Bartolomeu, Fonseca, “Method and apparatus for the deterministic capture of a communication channel shared among contention based technologies”,
USA Patent Ref. US9313043B2, Universidade de Aveiro / Microio, April 2016.
• Um mecanismo a nível do MAC que força as estações a competir pelo meio a fazer backoff.
• Uma solução de camada física que protege as estações de baixa potência (IEEE 802.15.4 versus Wi-Fi, por exemplo)
“mascarando-as” de potência elevada.
• Um protocolo para garantir o controlo do meio por uma série de estações com necessidades de comunicação
tempo-real.
Pode-se assim criar clusters de estações com capacidade de transmissão determinística e tempo-real em ambientes
abertos povoados por outras estações da mesma ou de outras tecnologias.
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8. COMUNICAÇÕES WIRELESS DETERMINÍSTICAS: UMA SOLUÇÃO
BB Black-burst interference
PI Protective interference
OI Overhead interference
ISI Inter-frame space interference
TP Trigger packet
PW Protected window
CW Contention window
IW Inactive window
EC Elementary cycle
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9. MONITORIZAÇÃO NÃO-INVASIVA E OUTRAS APLICAÇÕES COM
COMUNICAÇÕES WIRELESS
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O potencial da utilização de comunicações wireless não se esgota nas aplicações “diretas” em automação, antes
pode ter um enorme impacto na introdução de novas soluções em unidades em funcionamento (“brownfield”),
consubstanciando o paradigma da IIoT:
• Sensorização não invasiva para recolha de dados,
• Promovendo deteção precoce de funcionamento deficiente,
• Permitindo a construção de Data Sets a utilizar em manutenção preventiva.
• Monitorização para auditoria ou controlo de qualidade.
• Novas soluções de IIoT para disponibilização de bens de consumo, subprodutos, controlo de ferramentas e
equipamentos,
• …

10. MONITORIZAÇÃO NÃO INTRUSIVA DE MOTORES ELÉTRICOS
GRID plataforma IOT
Monitorização/
Dashboarding
Analítica
SMS
DCS
Email
SAP
MOTOR 2 MOTOR 3
NOTIFICAÇÕES
ALERTAS
INTEGRAÇÃO
MOTOR 1
sensor
Unidade Gateway
recolha e envio de dados
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Monitorização de Temperatura, Vibração, perfis
de consumo de energia.
Deteção antecipada de sintomas associados a
avarias.
Dashboards de front office e back office.
Data analytics - análises complexas de dados
para identificação de padrões e correlações.

11. SIMPLIFICAÇÃO DAS AUDITORIAS E DE CERTIFICAÇÃO DE QUALIDADE EM
SOLDADURA
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Marcação CE e normas (EN 1090-2:2008) obrigam a
que os fabricantes e utilizadores de máquinas de soldar
tenham de fazer ensaios periódicos e mesmo registo
das condições de funcionamento da máquina durante a
operação.
Introdução de sistemas não invasivos com sensorização
e comunicação wireless para:
• Apoio à auditoria, com recolha e envio de dados
para o auditor.
• Registo de variáveis na operação para associar à
ficha do produto em produção.
• Instalação temporária ou permanente.

12. INDUSTRIAL VENDING E ARMAZENAGEM DISTRIBUÍDA
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Adaptação de máquinas de vending para distribuição de
acessórios (luvas, óculos, capacetes, …).
Adaptação de cacifos para distribuição de subpartes,
ferramentas, etc.
Instalação no chão de fábrica ou em locais remotos (apoio a
equipas de manutenção).
Ligação a plataformas cloud e/ou a ERPs, ...
http://stlouiscnr.com/departments/companies/cee-kay-supply-announces-industrial-vending-solutions-
managing-and-tracking-inventory/
http://microio.pt/project/vending-industrial/

13. CONCLUSÕES
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As comunicações wireless para ambiente industrial vão certamente assumir papel crucial no futuro:
• Nas aplicações “core” incluindo segurança crítica.
• Na adaptação de instalações “legacy” para uma lógica de IIoT e, em consequência, de Indústria 4.0.
• Num universo de novas aplicações, novos modelos de operação, novos modelos de negócio, novas formas de
interagir com “stakeholders” que ainda só prevemos de forma superficial.
• Ponhamos mãos à obra:
The best way to predict the future is to create it.
Peter Drucker
JOSÉ FONSECA
jaf@ua.pt