A Sociedade Internacional de Automação (ISA) aprovou em 2009 um novo padrão de comunicação sem fio voltado para aplicações industriais de monitoramento e controle. Esse padrão foi nomeado ISA100.11a. Após sua revisão final em 2011, foi iniciado ainda no mesmo ano a tentativa de tornar o padrão publicamente disponível (PAS) na Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC). O ISA100.11a tem um status IEC/PAS, porém, ainda está na versão draft com a denominação IEC/PAS 62734. Existe a expectativa que o IEC/PAS 62734 tenha sua aprovação final no segundo semestre de 2012. Nesta tese, o ISA100.11a e o IEC/PAS 62734 são tratados como um mesmo padrão [ISA100 2009, IEC-62734 2012].
Diferentemente do padrão WirelessHART, que foi concebido baseado nas exigências de uma padrão específico (HART), o padrão ISA100.11a foi criado baseado nas exigên- cias dos usuários finais. Um dos objetivos do padrão é fornecer uma comunicação sem fio confiável e segura para as aplicações com latência de até 100ms. Essas aplicações são tí- picas de monitoramento e controle industriais. O padrão apresenta suporte a coexistência de outras tecnologias de comunicação sem fio em um mesmo ambiente, como por exem-
plo: telefonia celular, IEEE 802.11x, IEEE 802.15x, IEEE 802.16x. Adicionalmente, foi criado um mecanismo de tunelamento onde diversos padrões industriais de comunicação (HART, WirelessHART, Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus, entre outros) podem ser utilizados de forma transparente em uma rede ISA100.11a.
Uma rede ISA100.11a típica é descrita na Figura 2.5. Todos os dispositivos na rede são caracterizados por regras bem definidas que controlam seus funcionamentos. Em ge- ral os dispositivos podem assumir as seguintes regras: gerente do sistema, gerente de segu- rança, gateway, roteador backbone, roteador, dispositivo I/O, dispositivo portátil, função de provisionamento e referência temporal.
B a ckb o n e Re d e d e A u to m a çã o Gateway Gerente do Sistema Gerente de Segurança Sub-rede I Sub-rede II Roteador backbone Roteador Dispositivo I/O Dispositivo portátil P T P Função de provisionamento Referência temporal T
Figura 2.5: Uma típica rede ISA100.11a.
O dispositivo I/O é responsável por atuar ou monitorar as variáveis do ambiente. De acordo com o padrão ISA100.11a, um dispositivo I/O não apresenta capacidade de ro- teamento. Essa limitação foi utilizada para minimizar o consumo de energia naqueles dispositivos. Um dispositivo I/O também pode ser portátil, nesse caso, sua operação é limtiada a testes, manutenção e configurações de outros dipositivos.
O roteamento na rede é realizado por dois dispositivos, o roteador e o roteador back- bone. O primeiro atua como um proxy, encaminhando os dados em direção ao gateway e estendendo o alcance da rede. Ele também é responsável por propagar a noção de tempo
e comissionar novos dispositivos. Adicionalmente, o padrão ISA100.11a introduziu um novo conceito, o roteador backbone. Esse dispositivo é responsável por um roteamento de alto nível na rede. Também pode ser utilizado para aumentar a vazão de tráfego na medida que sub-redes são criadas. O tráfego entre backbones utiliza uma versão compactada do IPV6, o 6LoWPAN (IPV6 sobre redes pessoal de baixa potência), o qual é otimizada para as redes de sensores sem fio [Neves & Rodrigues 2010]. O tunelamento, uma das prin- cipais características do padrão ISA100.11a, também é de responsailidade dos roteadores backbones.
Similarmente ao padrão WirelessHART, uma rede ISA100.11a é centralizada na ope- ração de três dispositivos: gateway, gerente de sistema e gerente de segurança. O gateway é o dispositivo responsável por interligar as aplicações de alto nível, presentes na rede de automação, para os dispositivos na rede sem fio. O gerente de segurança é responsável por manter as comunicações seguras, livre de acessos não autorizados. Ele também é responsável pela manutenção e distribuição das chaves de segurança. Por fim, o gerente de sistema é o núcleo da rede, realizando todos os procedimentos necessários para que a comunicação entre os dispositivos possa ocorrer.
O padrão ISA100.11a utiliza uma arquitetura baseada em uma versão simplificada do modelo OSI, onde estão presente apenas 5 camadas. A Figura 2.6 descreve uma visão geral da arquitetura presente no padrão ISA100.11a. Nas próximas seções serão descritos as principais características de cada camada.
Camada Física Camada de Enlace Camada de Rede Camada de Transporte Camada de Aplicação Rádios IEEE 802.15.4 – 2.4 GHz – 50m/600m – 0 dBm/10 dBm Tx Saltos de frequência (3 tipos) - TDMA - slots (10ms/12ms) - roteamento a
nível da sub-rede - lista negra de canais
Fragmentação/remontagem de dados - roteamento de alto nível (backbone) – compatibilidade com 6LoWPAN -
Serviços sem conexão e sem reconhecimento – extensão do UDP sobre IPv6 com melhor integridade dos dados e segurança adicional
Orientada a objetos (encapsula dados e funcionalidades) – suporta o tunelamento de outros padrões de comunicação
2.2.1 Camada física
Similarmente ao padrão WirelessHART, a camada física do padrão ISA100.11a é ba- seada no IEEE 802.15.4. As camadas físicas desses padrões são bastante similares, entre- tanto, o ISA100.11a adiciona algumas peculiaridades. O ISA100.11a permite a utilização de 16 canais (11-26) apesar do canal 26 ser opcional. Diferentemente do padrão Wireles- sHART, um rádio ISA100.11a suporta todos os níveis de avaliação da portadora (CCA), inclusive, apresentando suporte para desabilitar a função se necessário. Em relação à fre- quência de transmissão, ambos ISA100.11a e WirelessHART utilizam apenas a faixa de frequência 2.4 GHz.
Em relação ao alcance do rádio, o padrão ISA100.11a não especifica nenhum parâ- metro. Devido à sua compatibilidade com o IEEE 802.15.4 é esperado alcances típicos de até 100 metros. Entretanto, testes realizados em ambientes abertos e com visada direta obtiveram um alcance de até 600 metros (ganho extra da antena) [Yamamoto et al. 2010]. Em ambientes fechados e densos (grande quantidade de materiais metálicos e típicos de ambientes industriais) os testes citados anteriormente indicam um alcance máximo de até 50 metros. Percebe-se que quanto maior o alcance do rádio maior será o consumo de energia nos dispositivos.
Adicionalmente, o padrão ISA100.11a permite o controle da potência de transmissão com o intuito de economizar energia. Porém nenhum algoritmo é especificado no padrão. Ambos ISA100.11a e WirelessHART devem limitar o alcance do rádio às leis regulamen- tadoras específicas, dessa forma, espera-se que esses padrões tenham rádios com alcances similares. Discussões sobre o tema extrapolam o objetivo desse documento (técnico) e convergem mais para questões comerciais.
2.2.2 Camada de enlace
A camada de enlace definida no padrão ISA100.11a tem como responsabilidade contro- lar o acesso dos dispositivos ao meio de transmissão. Essa é uma característica básica de toda camada de enlace baseada no modelo OSI. Entretanto, o padrão ISA100.11a difere um pouco dos modelos clássicos de arquiteturas de redes pois define roteamento no nível da camada de enlace.
Basicamente, a camada de enlace é dividida em 3 subcamadas: MAC, extensão da MAC e uma subcamada de alto nível. A subcamada MAC é um subconjunto do IEEE 802.15.4, enquanto que a extensão da MAC adiciona novas características relacionadas com o CSMA-CA, TDMA e saltos de frequência. A subcamada de alto nível é responsá- vel por realizar o roteamento a nível da camada de enlace.
Na visão da camada de enlace, os dispositivos estão organizados em uma ou várias sub-redes. Dentro de cada sub-rede os dispositivos são sincronizados. A comunicação ocorre utilizando slots de tempo, superframes, links e grafos. O gerente do sistema é responsável por configurar todos os dispositivos na rede com essas estruturas (tabelas).
O controle de acesso ao meio é baseado em um TDMA configurado com um meca- nismo de saltos de frequência. Diferentemente do padrão WirelessHART, onde apenas um perfil de saltos de frequência é suportado, no padrão ISA100.11a são definidos 3 perfis de saltos de frequência (slotted, lento, híbrido) conforme descritos na Figura 2.7. No pri- meiro perfil, cada comunicação ocorre em uma frequência diferente seguindo 5 padrões pré-definidos. O ordem dos canais a ser seguida foi definida com a finalidade de otimizar a coexistência com redes IEEE 802.11 e WirelessHART. Existe também a possibilidade de configurar os dispositivos para escolherem os canais de comunicação seguindo uma se- quência específica. Por outro lado, no perfil de saltos de frequência lento, os dispositivos modificam o canal de comunicação apenas em intervalos específicos (100ms a 400ms). Esse mecanismo é utilizado por dispositivos que perderam a sincronização com a rede ou estão sendo comissionados pelo gateway. Por questões de coexistência com outros pa- drões, recomenda-se utilizar os canais 15, 20 e 25 no perfil de saltos de frequência lento. A desvantagem desse perfil está relacionada com o aumento no consumo de energia. Du- rante o período em que um canal de comunicação é utilizado, os dispositivos precisam manter seus rádios ligados. Por fim, um perfil de saltos de frequência híbrido utilizando ambas características dos perfis anteriores pode ser utilizado para otimizar o envio de alarmes e retransmissões.
Independente do perfil de saltos de frequência utilizado, a comunicação entre os di- positivos ocorre dentro de um slot de tempo com duração de 10 ms ou 12 ms1. Dife- rentemente do padrão WirelessHART, o slot de tempo estendido (12 ms) foi adicionado ao padrão ISA100.11a para suportar a recepção em sequência de múltiplas mensagens de reconhecimento (duocast), priorização de mensagens (CCA é postergado para men- sagens de pouca prioridade) e permitir a comunicação entre dispositivos cuja referência temporal esteja atrasada em até 2 ms. Adicionalmente, os slots de tempo ainda podem ser classificados em dedicados e compartilhados. Os slots dedicados são usados para as comunicações livres de contenção (unicast e duocast), enquanto que os slots compartil- hados são usados para as comunicações com contenção (difusão e retransmissões). Nos slots compartilhados o acesso ao meio é alcançado utilizando um algoritmo de backoff exponencial semelhante ao mecanismo de acesso ao meio CSMA-CA.
1Todos os dispositivos na rede devem estar sincronizados. Alguns dispositivos são configurados pelo
C an ai s (1 1 -2 5 ) C an ai s (1 1 -2 5 ) C an ai s ( 1 1 -2 5 ) Tempo Tempo Tempo Saltos de frequência slotted
Saltos de frequência lento
Saltos de frequência híbrido
Figura 2.7: Diferentes perfis de saltos de frequência suportados pelo padrão ISA100.11a. Os slots de tempo são posicionados em sequência formando a estrutura do superframe. Com o objetivo de minimizar a complexidade da camada de enlace, um superframe apenas suporta slots de mesmo tamanho. Apesar dessa limitação é possível utilizar superframes simultâneos com tamanhos de slots específicos. Para manter a sincronização na rede, todos os superframes são alinhados em intervalos de 250 ms.
A organização dos superframes tem papel importante no escalonamento e consequen- temente no roteamento da rede. O padrão ISA100.11a define roteamento no nível da camada de enlace. O roteamento é construído pelo gerente do sistema através de men- sagens enviadas periodicamente por todos os dispositivos na rede. De forma similar ao padrão WirelessHART, são definidos o roteamento em grafo e origem. A diferença está no fato que o padrão ISA100.11a organiza a rede (camada de enlace) em sub-redes.
O padrão não generaliza os mecanismos internos dos dispositivos (acesso a memória, interrupção de hardware, etc), entretanto, no nível de camada de enlace as mensagens re-
ferentes a roteamento são controladas por uma fila priorizada de 15 níveis. O gerente do sistema é responsável por configurar as filas em cada dispositivo. Apesar do mecanismo de priorização ser válido apenas nos roteadores, ele pode ser utilizado na garantia da qua- lidade de serviços. Ao receber uma nova mensagem, um dispositivo pode enviar de volta para o emissor um reconhecimento negativo (NACK) se o limite de sua fila de recepção para prioridade daquela mensagem foi alcançada.
As principais características presentes na camada de enlace do padrão ISA100.11a são descritas na Tabela 2.3.
Tabela 2.3: Principais características presentes na camada de enlace do padrão ISA100.11a.
Características Camada de Enlace (ISA100.11a)
Sub-redes Múltiplas
Saltos de frequência Slotted, lento e híbrido
MAC TDMA + saltos de frequência
Slots 10 ms ou 12 ms (dedicados ou compartil- hados)
Slotsestendido (12 ms)
Recepção de múltiplas mensagens ack Priorização de mensagens
Comunicação entre dispositivos atrasados em até 2 ms
Superframe Múltiplos tamanhos e alinhados a cada250 ms
Lista negra Manual
Sincronização
Referência temporal estabelecida na en- trada da rede. Mensagens Advertise e Ack são usada para manutenção
Tipos de comunicação Unicast, duocast e difusão Controle de fluxo Mensagens NACK
Roteamento Grafo e origem
Pacote 127 bytes (carga útil fornecida pela ca-mada física)
2.2.3 Camadas de rede e transporte
A camada de rede tem como objetivo principal prover o mecanismo de roteamento no nível dos backbones. No nível da camada de enlace, o roteamento é limitado as sub-redes. Por outro lado, quando uma mensagem alcança um roteador backbone, o roteamento a partir daquele ponto é de responsabilidade da camada de rede.
Em relação ao endereçamento dos dispositivos, no nível da camada de enlace cada dispositivo utiliza um endereço de 16 bits, enquanto que no nível da camada de rede o endereçamento é de 128 bits (6LoWPAN). A camada de rede é responsável por traduzir os endereços de 16 bits para os endereços de 128 bits.
Outra funcionalidade da camada de rede é a fragmentação de dados. Caso uma men- sagem tenha um tamanho superior a carga útil da camada de enlace o dispositivo é pro- gramado para fragmentar a mensagem em partes menores.
Em relação à camada de transporte, as principais funções suportadas estão relaciona- das com a comunicação fim-a-fim baseada em serviços sem conexão. Esses serviços são uma extensão do UPD sobre o 6LoWPAN [Petersen & Carlsen 2011].
2.2.4 Camada de aplicação
A camada de aplicação definida no padrão ISA100.11a é estruturada na orientação de objetos. Nesse paradigma, um dispositivo real, por exemplo uma entrada analógica, é modelado em um objeto de software. A camada de aplicação é responsável pela co- municação objeto-a-objeto definindo os modos de iteração e interoperabilidade com tec- nologias legadas. A forma como a camada de aplicação foi definida permite a utilização de tunelamento, onde aplicações legadas (HART, Foundation Fieldbus, Profbus) podem acessar os dispositivos de uma rede ISA100.11a.
Outra funcionalidade importante definida na camada de aplicação está relacionada com o envio de anormalidades na rede. Os dispositivos podem ser configurados para enviarem alertas caso um determinado evento ocorra.
Basicamente, a camada de aplicação cria um “contrato” com todos os dispositivos na rede na tentativa de fornecer escalonamento, latência limitada e envio periódico de mensagens. A troca de informações pode seguir um modelo produtor/consumidor ou cliente/servidor.
Considerações em relação ao contexto das aplicações industriais
O padrão ISA100.11a foi projetado para prover comunicações sem fio adaptadas aos ambientes industriais. Desde sua origem, o padrão ISA100.11a foi baseado nas exigên- cias dos usuários das aplicações industriais. O padrão tem como meta principal a confia- bilidade, a qual é alcançada utilizando-se mecanismos de redundância temporal (mesmo dado é enviado múltiplas vezes), saltos de frequência (3 perfis) e redundância estrutural (gateway pode utilizar dispositivos de backup).
Em relação ao alcance do rádio, o padrão não especifica nenhuma limitação. Essa propriedade irá depender das implementações dos fabricantes. Obviamente a potência da antena deve ser limitada a algumas dezenas de mW devido os dispositivos serem alimen- tados com baterias.
O suporte a comunicações duocast, implementado no padrão ISA100.11a, cria um mecanismo interessante para o aumento da confiabilidade na rede. Nessa forma de co- municação, um dispositivo envia um dado ao mesmo tempo para dois dispositivos no mesmo slot de tempo. O emissor da mensagem também deve receber duas mensagens de reconhecimento em sequência. Entretanto, esse procedimento apenas é possível entre um dispositivo de campo e dois roteadores backbones. Para suportar esse procedimento, o padrão ISA100.11a utiliza um slot de tempo estendido (12 ms). Esse mesmo tipo de slot pode ser usado para criar pacotes com prioridades diferentes na rede.
Uma outra característica importante adicionada no padrão ISA100.11a foi o tunela- mento de tecnologias legadas. Com esse mecanismo, aplicações como HART, Foundation Fieldbus e Profibus podem acessar os dispositivos na rede de forma transparente. Adicio- nalmente, uma rede ISA100.11a pode criar sub-redes na tentativa de segmentar o tráfego e garantir requisitos de tempo real mais restritos.
Similarmente ao padrão WirelessHART, uma rede ISA100.11a deverá ter seu desem- penho prejudicado na coexistência com três pontos de acesso IEEE 802.11. Esse cenário limita o uso de apenas três ou quatro canais de comunicação.
Um mecanismo de endereçamento baseado no 6loWPAN foi adicionado no padrão ISA100.11a. Entretanto, o roteamento mais complexo, onde esse endereçamento poderia ser útil, é realizado na camada de enlace utilizando algoritmos (grafo e origem) semel- hantes ao padrão WirelessHART. O endereçamento 6loWPAN é utilizado na comunicação entre roteadores backbones. Os algoritmos utilizados nessa comunicação não é padroni- zado no ISA100.11a [IEC-62734 2012].
2.3 IEC-PAS 62601/WIA-PA
Em 2007, o Consórcio Wireless Industrial Chinês (CIWA) desenvolveu um novo pa- drão de comunicação sem fio, o WIA-PA (Redes Sem Fio para Automação Industrial e Processos de Automação). No final de 2008 o padrão WIA-PA tornou-se uma especifica- ção publicamente disponível pelo IEC cujo nome foi denominado IEC/PAS 62601. Em 2011 o IEC ratificou a especificação [IEC-62601 2011]2.
Uma rede WIA-PA típica define cinco tipos de dispositivos conforme descrito na Fi- gura 2.8. O dispositivo host é utilizado por usuários ou operadores no acesso de alto nível a rede. O acesso físico entre o dispositivo host ou outras redes de automação para a rede WIA-PA é realizado através do gateway. Em relação ao tráfego de dados intra-rede, as mensagens enviadas pelos dispositivos são encaminhadas em direção ao gateway através dos dispositivos roteadores. Os dispositivos mais básicos são os dispositivos de campo e os handhelds. Os primeiros realizam o monitoramento de alguma variável do processo enquanto o segundo é utilizado para configurações em campo. Adicionalmente, o padrão IEC/PAS 62601 tem suporte para utilização de gateways e roteadores redundantes. Essa configuração pode ser utilizada para aumentar a confiabilidade da rede.
Gateway Gateway Redundante Gerente de Segurança Gerente da Rede Host Estrela Estrela Estrela Estrela Mesh Roteador redundante Roteador Dispositivo de campo Handheld
Figura 2.8: Uma típica rede WIA-PA.
A relação entre os diferentes tipos de dispositivos suportados pela rede WIA-PA criam dois níveis de topologia. A comunicação entre os roteadores segue uma topologia mesh, enquanto que a comunicação entre os dispositivos de campo e roteadores segue uma to- pologia em estrela. Cada roteador opera de forma similar para o mestre de um cluster. Dessa forma, uma rede WIA-PA suporta uma topologia mesh-estrela ou mesh-cluster.
Toda a comunicação na rede é centralizada por duas regras definidas geralmente den- tro do gateway. A primeira regra, denominada gerente de segurança, é responsável por gerenciar todo aspecto de segurança na rede. Suas responsabilidades variam desde a configuração de chaves de segurança para os dispositivos que estão entrando na rede até a
validação das mensagens transmitidas. Por outro lado, a regra denominada gerente da rede é considerada a parte principal da rede WIA-PA. Esta regra é responsável por controlar todas as configurações nos dispositivos, desde as tabelas de escalonamento até os canais de comunicação.
Similarmente aos padrões WirelessHART e ISA100.11a, a pilha de protocolos do pa- drão WIA-PA é baseado no modelo OSI. Entretanto, apenas são definidos 4 camadas conforme descrito na Figura 2.9. Nas próximas seções serão descritos as principais carac- terísticas de cada camada. Devido à camada física ser totalmente baseada no padrão IEEE 802.15.4 e suas características já terem sido previamente descritas nesse documento, não iremos descrever os detalhes dessa camada.
Camada Física Camada de Enlace
Camada de Rede Camada de Aplicação
Rádios IEEE 802.15.4
Saltos de frequência (3 tipos) – extensão da MAC IEEE 802.15.4 (usa o período inativo) – canais são escolhidos de uma forma adaptativa Topologia mesh e estrela-mesh – roteamento redundante estático -
agregação de pacotes - fragmentação
Orientada a objetos (encapsula dados e funcionalidades) – suporta o tunelamento de outros padrões de comunicação
Figura 2.9: Pilha de protocolos do padrão WIA-PA.
2.3.1 Camada de enlace
A camada de enlace do padrão WIA-PA foi modelada com o objetivo de fornecer co- municação segura, confiável e em tempo real. Ela é baseada na camada de enlace do IEEE 802.15.4 com a extensão de algumas funcionalidades (saltos de frequência, retransmissão, TDMA e CSMA).
A unidade de comunicação é slot de tempo. A duração de cada slot é configurável e segue os mesmos limites do IEEE 802.15.4. Uma coleção de slots de tempo forma a estrutura do superframe. Cada superframe é repetido periodicamente com um inter- valo proporcional a quantidade de slots de tempo utilizados. É possível utilizar múltiplos superframes cuja configuração é destinada ao gerente da rede. O funcionamento do su- perframeé descrito na Figura 2.10. Perceba que o superframe definido no IEEE 802.15.4