UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA – ÊNFASE AUTOMAÇÃO
BRUNO BARBAROTO
ESTUDO DE CASO PARA ENLACE DE COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2017
BRUNO BARBAROTO
ESTUDO DE CASO PARA ENLACE DE COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso II do curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Glauber Gomes de Oliveira Brante
CURITIBA 2017
BRUNO BARBAROTO
ESTUDO DE CASO PARA ENLACE DE COMUNICAÇÃO VIA
RÁDIO
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista, do curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Curitiba, 22 de novembro de 2017.
____________________________________ Prof. Paulo Sérgio Walenia, Esp.
Coordenador de Curso
Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Automação
____________________________________ Prof. Marcelo de Oliveira Rosa, Dr
Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Automação do DAELT
ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Glauber Gomes de Oliveira Brante, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador
______________________________________ Glauber Gomes de Oliveira Brante, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Guilherme Luiz Moritz, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Ohara Kerusauskas Rayel, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Automação
RESUMO
BARBAROTO, Bruno. ESTUDO DE CASO PARA ENLACE DE COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO. 2017. 44 f. Monografia (Curso Superior de Engenharia Industrial Elétrica, ênfase em Automação), Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017.
Enlaces de comunicação são pontos chaves para um monitoramento eficiente e robusto de qualquer processo industrial. Distribuidoras de gás natural apresentam suas redes de distribuição em logradouros públicos e com grandes extensões ficando demasiadamente oneroso cogitar-se a hipótese de se realizar monitoramento e automação por enlaces cabeados. Portanto este trabalho teve como objetivo criar um ambiente com duas modalidades distintas de enlace de comunicação sem fio e, monitorar parâmetros de desempenho de ambas. Neste ambiente foram exploradas as tecnologias GPRS frente a um enlace de IEEE 802.11. Assim criou-se uma metodologia capaz de mensurar parâmetros de desempenho de ambas as redes como atraso no recebimento do dado, tempo disponível da conexão e taxa de erros. Foram realizados levantamentos em dias com condições climáticas diferentes onde percebeu-se alguma interferência na qualidade, contudo nada que cause uma experiência ruim ao usuário final.
ABSTRACT
BARBAROTO, Bruno. CASE STUDY FOR RADIO COMMUNICATION LINK. 2017. 44 f. Completion of course work (Electrical Industrial Engineering - emphasis on Automation), Federal University of Technology - Paraná. Curitiba, 2017.
Communication links are key points for efficient and robust monitoring of any industrial process. Distributors of natural gas, their distribution networks in public places and large extensions becoming too expensive to consider the possibility of monitoring and automation by wired links. This article aimed to create an environment with two distinct modalities of wireless communication, monitor the performance parameter of the embassies. In this environment they were exploited as GPRS technologies against an IEEE 802.11 link. Thus, a methodology was created to measure the performance parameter of both networks as delay, there is no data reception, available connection time and error rate. Surveys were carried out on days with different climatic conditions where there was some interference in the quality, but nothing that causes a bad experience for users, so the dedicated link showed a technical solution with superior characteristics in connection quality and cost of implantation.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mapa de concessionária distribuidoras de GN no Brasil ... 9
Figura 2- Distribuição dos pontos de recebimento (City Gates) ... 9
Figura 3 - Mapa de enlace proposto ... 11
Figura 4 - Disponibilidade do sistema ... 13
Figura 5 – Levantamento de latência de comunicação ... 14
Figura 6 - Esboço de uma antena ... 18
Figura 7 - Distância de reuso de clusters ... 20
Figura 8 - Sistema SCADA SANEPAR – Regional Pato Branco ... 21
Figura 9 - Proposta Ampliação do Sistema SCADA – Pato Branco ... 22
Figura 10 - Arquitetura das soluções propostas ... 26
Figura 11 - Classificação de área prévia do city gate de Araucária ... 27
Figura 12 - Classificação de área prévia do FAFEN ... 28
Figura 13 - Simulação da instalação das antenas de rádio ... 28
Figura 14 - Resultados de simulação do enlace proposto e especificação técnica do equipamento. ... 29
Figura 15 - Algoritmo para medição de atraso ... 30
Figura 16 - Algoritmo para contabilização dos erros ... 31
Figura 17 - Consulta para medição de disponibilidade ... 32
Figura 18 Quadro com equipamentos para o teste ... 33
Figura 19 - Instalação das antenas de radiação restrita ... 33
Figura 20 - Atraso de comunicação entre WIFI e GPRS amostral ... 34
Figura 21 - Atraso de comunicação entre WIFI e GPRS do dia 23/09/17 ... 35
Figura 22- Atraso de comunicação entre WIFI e GPRS do dia 14/10/17 ... 35
Figura 23 - Taxa de erros do amostral ... 36
Figura 24 - Taxa de erros do dia 23/09/17 ... 37
Figura 25 - Taxa de erros do dia 14/10/17 ... 37
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Atenuação em função da frequência ... 23
Tabela 2 - Anexo I-Faixas de radiofrequências utilizáveis por equipamentos de radiação restrita com limites de emissão alternativos, definidos em especificações técnicas ... 24
Tabela 3 - Comparativo de preços de equipamentos ... 24
Tabela 4 -Preço para criação de enlace IEEE 802.11 ... 25
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 8 1.1 TEMA ... 8 1.1.1 Delimitação do tema ... 12 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ... 12 1.3 OBJETIVOS ... 15 1.3.1 Objetivo Geral ... 15 1.3.2 Objetivos específicos ... 15
2 COMUNICAÇÃO SEM FIO ... 16
2.1 FREQUÊNCIAS ... 16
2.1.1 Legislação ANATEL ... 17
2.2 ANTENAS ... 18
2.3 GPRS (General Packet Radio Service)... 19
2.4 ESTUDO DE CASO DE COMUNICAÇÃO SEM FIO PARA SISTEMA SCADA NA SANEPAR UNIDADE PATO BRANCO ... 21
3 METODOLOGIA ... 23
3.1 OPÇÕES DE EQUIPAMENTOS E TECNOLOGIAS ... 23
3.2 COMPARATIVO DE CUSTO ... 24
3.3 ARQUITETURA DE COMUNICAÇÃO ... 25
3.4 INSTALAÇÃO DE RÁDIOS ... 26
3.5 SIMULAÇÃO DE ENLACE DOS RÁDIOS ... 28
3.6 REQUISITOS DE DESEMPENHO ... 29
3.6.1 Atraso... 30
3.6.2 Taxa de erros de transmissão ... 31
3.6.3 Disponibilidade ... 32
4 RESULTADOS ... 33
4.1 ANÁLISE DO ATRASO ... 34
4.2 TAXA DE ERROS DE TRANSMISSÃO ... 36
4.3 DISPONIBILIDADE ... 38
5 CONCLUSÕES FINAIS ... 39
1 INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
O setor de gás natural se caracteriza fortemente como uma indústria de rede, na qual ofertas e demandas devem ser conectadas por uma tubulação física – no caso, a malha de gasodutos. O estabelecimento desta infraestrutura implica em investimentos elevados com ativos fixos e específicos, tornando os custos unitários do gás natural extremamente sensíveis ao volume movimentado e ao número de usuários (BRASIL M.M.E, 2014).
A distribuição de gás canalizado no Brasil é atribuição dos estados, que poderão, em seus territórios, explorar diretamente ou através de concessão, nos termos definidos pelo Art. 25 da Constituição Federal (MARTINS, 2006).
A Figura 1 ilustra as concessionárias de distribuição de gás natural no Brasil na atualidade divulgados pela Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de Gás Canalizado (ABEGAS), onde são vinte e seis no total. No Paraná, a única concessionária de distribuição de gás canalizado é a COMPAGAS, que foi constituída em dezembro de 1994.
A COMPAGAS encontra-se presente em Curitiba, Araucária, Balsa Nova, Campina Grande do Sul, Campo Largo, Carambeí, Castro, Colombo, Londrina (alimentada por gasoduto virtual ou Gás Natural Liquefeito), Palmeira, Paranaguá, Pinhais, Ponta Grossa, Quatro Barras, São José dos Pinhais, São Mateus do Sul (alimentada por gasoduto virtual ou Gás Natural Comprimido) fornecendo gás natural. Para atender estes municípios possui uma malha duto viária com aproximadamente 464,6 km de tubos de aço carbono, 274,0 km de tubos de polietileno de alta densidade (PEAD) PE80 e 46,6km de tubos de polietileno de alta densidade PE100 (COMPAGAS, 2015).
Figura 1 - Mapa de concessionária distribuidoras de GN no Brasil Fonte: ABEGAS, 2016
No Paraná a COMPAGAS recebe gás da transportadora TBG através do gasoduto denominado “GASBOL”. Sua rede conta com três estações de recebimento de gás natural tubulado usualmente, chamadas de city gates, sendo uma delas dedicada para atendimento da usina elétrica a gás de Araucária (UEGA). A Figura 2 ilustra geograficamente os pontos existentes e demonstra a extensão da malha dutoviária da referida companhia.
A leitura remota das variáveis de processo (pressão, temperatura, vazão, etc.) e fiscais (volume, fator de correção, etc.) desempenham papel fundamental para a distribuição do gás natural. A instrumentação básica possibilitou a existência da indústria do gás, seu uso pode se dar integrado a sistemas, tais como os de segurança (por exemplo, válvulas de fechamento de sobre pressão), de aquisição de dados de leitura automática de medidores para transferência de custodia, etc. Em uma época em que a regulamentação e os requisitos ligados à segurança e ao meio ambiente vêm se tornando mais rigorosos, a instrumentação e a automação tornam-se essenciais à indústria do gás natural (MONTEIRO, 2010).
Neste contexto, a indústria vem empregando tecnologias nos campos da eletrônica, informática e gestão de modo a desenvolver equipamentos e sistemas capazes de realizar tarefas de monitoria, aquisição e controle de modo a viabilizar e garantir a execução de processos industriais.
Um dos sistemas mais utilizados no controle de gasodutos e polidutos modernos é o sistema SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). Os primeiros sistemas SCADA possuíam natureza estritamente telemétrica, atuando de forma a informar de periodicamente a situação de um determinado sistema através de monitoramento da condição dos dispositivos e de sinais referentes ao processo, onde a interface com o operador ocorria através de indicadores em painéis luminosos, constituindo um sistema supervisório básico (FELETTO, 2005).
A referida companhia distribuidora de gás natural possui, atualmente um sistema de supervisão de seu processo, que permite visualizar suas variáveis e atuar se necessário. Este monitoramento em seus city gates se dá a partir de modens GPRS (General Packet Rádio Service), excetuando-se seu maior cliente em operação continua, que possui enlace de fibra ótica disponibilizado pela COPEL telecom.
Assim este trabalho propõem a utilização de um enlace de comunicação com rádios baseados no padrão IEEE 802.11 entre o City Gate Araucária e a Fábrica de Fertilizantes Nitrogenados (FAFEN) para integração das informações do City Gate com o software de supervisão da companhia distantes aproximadamente 1768m conforme Figura 3.
Figura 3 - Mapa de enlace proposto Fonte: Autoria própria
Atualmente a comunicação entre o City Gate de Araucária e o CCO (Centro de controle operacional) se dá através de um modem GPRS. Nesta arquitetura a companhia depende da rede da operadora de dados móveis para ter as informações de seu processo. Tal condição acarreta riscos à sua automação, bem como impõem condições de carência de dados.
1.1.1 Delimitação do tema
O projeto tem como principal finalidade estudar a, otimização do enlace de comunicação, através da utilização de rádios que não necessitem licenciamento especial e, que apresentem melhores requisitos de qualidade;
Este estudo contemplará o ambiente de rede físico, ou como os equipamentos deverão se comunicar e quais os requisitos de compatibilidade entre eles e os sistemas de maior hierarquia.
O piloto proposto contará com uma estrutura de softwares, capazes de gerenciar os equipamentos de hierarquia inferior, bem como extrair as informações necessárias no momento adequado afim de não provocar excessos de dados, ou conexões desnecessárias.
Por fim, pretende-se adequar o software de supervisão atual, afim de permitir um cenário com ambas soluções (radio e GPRS) funcionando paralelamente com a possibilidade de comparação direta entre elas por um período de tempo especifico.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
Como o processo da empresa em questão opera em logradouro público, fica evidente a impossibilidade de pensar em instrumentação cabeada, pois os custos seriam demasiadamente elevados. Desta maneira realiza-se uma adaptação da instrumentação, conhecida no ambiente industrial (cabeada) para redes sem fio.
A comunicação utilizando canais disponibilizados por operadoras de telefonia celular como GPRS, vem sendo a solução que apresenta o melhor custo benefício em função das limitações do modelo de negócio da companhia analisada.
Contudo, o enlace oferecido pelas operadoras de celular consiste em um ambiente desenvolvido para usuários informais, que não tem compromisso com qualidade de sinal ou tempo de espera, pois o seu usuário procura mobilidade e conectividade. Estas características quando transportadas para um ambiente industrial trazem dúvidas quanto a qualidade do dado, e podem menosprezar condições críticas ou supervalorizar situações.
Ao iniciar o projeto de automatização de seus dois city gates foi desenvolvido um software por uma empresa terceirizada, com intuito apenas de verificar alguns parâmetros do enlace GPRS. Este software foi utilizado no período de escolha da instrumentação que veria ser utilizada e teve como objetivo apenas subsidiar a escolha desta instrumentação.
Este software forneceu alguns dados interessantes, o primeiro e mais importante se refere a disponibilidade do sistema. O software realiza uma requisição a cada dez minutos e contabiliza as que foram recebidas e as que foram perdidas, e através disso realiza a soma do tempo mensal que não obteve resposta e divide pelo tempo total do mês gerando assim um gráfico percentual do tempo disponível como mostrado na Figura 4.
Figura 4 - Disponibilidade do sistema Fonte: Autoria própria
Os resultados apresentados indicam uma oscilação considerável no parâmetro avaliado, condição indesejável para um sistema de supervisão continua. No período avaliado não foi efetuado nenhuma manutenção por parte da concessionaria de gás no sistema de comunicação, e nenhuma alteração nos softwares e hardwares.
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A Figura 5 foi retirada de um relatório emitido por um pelo mesmo software citado acima no período do final de 2015 até meados de maio de 2016, e mostra outra característica de relevância, a latência da comunicação. Este termo significa o tempo entre a requisição do dado e a resposta recebida. Com esses dados é possível perceber sazonalidades durante alguns períodos e, tal condição pode-se tornar relevante caso algum evento importante aconteça, pois ela quem determinará a rapidez da detecção do problema, e sua posterior ação.
Figura 5 – Levantamento de latência de comunicação Fonte: Autoria própria
Desta maneira propõem-se criar um enlace de rádios dedicado e através disso ter melhor qualidade nos dados. A escolha da localização ocorreu, devido a importância do ponto de recebimento para a concessionaria em questão e, principalmente a proximidade geográfica com um enlace já existente de fibra ótica.
T e m p o (s e g u n d o s )
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Dada a complexidade dos sistemas de distribuição de gás natural, bem como a inerente necessidade de informações fiscais e de supervisão de modo a otimizar e prover velocidade na operação e manutenção, este trabalho almeja elaborar uma arquitetura a partir de testes em campo de equipamentos com diferentes tecnologias para otimização do sistema SCADA existente.
1.3.2 Objetivos específicos
• Apresentar uma solução de comunicação utilizando padrão IEEE 802.11
(Wi-Fi) através de equipamentos de radiação restrita para criação de um enlace
entre dois pontos próximos geograficamente.
• Reduzir a infraestrutura de transmissão de dados, afim de reduzir os custos de instalação e manutenção.
• Apresentar uma metodologia para comparação entre as tecnologias GRPS e IEEE 802.11 para um comparativo em um ambiente de automação distribuída.
2 COMUNICAÇÃO SEM FIO
O uso de ondas de rádio para comunicação de entre equipamentos permite a redução da infraestrutura de enlace. Porém há um problema, todas as frequências de rádio são cuidadosamente gerenciadas e controladas por agências oficiais reguladoras do espectro de frequência. Muito deste espectro já está sendo utilizado por outras aplicações, e dedicados a clientes de acordo com o tipo de serviço. Redes de dados sem fio utilizam principalmente três bandas de frequência que estão destinados para a chamada banda ISM (Industrial Scientific and Medical). Estas frequências podem ser usadas sem necessidade de concessão de licenças. Vale lembrar que este termo de licença livre é muito relativo, pois os equipamentos como rádios devem estar vistoriados e o fabricante credenciado para fabricação e comercialização (MAIA, 2000; apud LU, 1998).
2.1 FREQUÊNCIAS
O ISM foi padronizado em três faixas na maior parte dos países. Essas frequências são: 900 MHz que é muito usada por isso sofre de um alto nível de interferência; de 2.4 GHz é utilizada pelas redes wireless e a de 5 GHz não têm o uso liberado em todos os países, mas foi padronizado recentemente pela Anatel no Brasil (REIS, 2012).
A frequência de 900 MHz faz parte do grupo de frequências liberadas para uso em WLAN (Wireless Lans Network) sem licenciamento pela ISM, apresentaram um bom desempenho no que se refere às taxas de dados de 2Mbit por segundo (SOARES; LEMOS; COLCHER, 1995).
Por apresentar frequências nesta faixa limitadas no Brasil, que variam entre 614 até 907,5 MHz e 915 até 940 MHz, coisa que no exterior não se tem neste tipo de equipamentos desta categoria, eles têm dificuldades de apresentarem homologação. Os equipamentos importados normalmente são projetados para operarem de 902 até 928 MHz, e os que ainda existem na categoria de radiação restrita ficam obrigados a trabalhar com um canal reduzido, ou seja entre 915 (mínima frequência ISM no Brasil)
e 928 MHz (máxima frequência de projeto do equipamento). Portanto a máxima taxa de transmissão apresentadas nas folhas de dados não são pertinentes à legislação brasileira, e este cuidado deve ser observado na configuração do equipamento para que este não opere numa faixa de frequências diferente da ISM.
No caso da frequência 2,4 GHz é considerada uma frequência poluída devido ao fato de ser utilizada pela grande quantidade de equipamentos, serviços e também por alguns aparelhos de telefone sem fio, bluetooth, fornos de micro-ondas, babás eletrônicas e pelos padrões 802.11b e 802.11g (RUFINO, 2011).
Para finalizar a frequência de 5 GHz possui alcance de sinal relativamente menor que as demais frequências, o que pode ser tanto um problema em grandes locais quanto uma vantagem a mais, quando não se deseja que o sinal chegue em áreas maiores que as necessárias para o funcionamento dos dispositivos da rede (RUFINO, 2011).
2.1.1 Legislação ANATEL
A nova resolução nº 680, de 27 de junho de 2017 simplifica várias questões, como a dispensa de autorização para utilização de equipamentos de radiação restrita, objeto deste trabalho em seus artigos 53 e 75.
Somente poderão ser utilizados equipamentos que se utilizem de espalhamento espectral ou OFDM. Na pratica os equipamentos que forem compatíveis com a especificação IEEE 802.11 e que possuírem certificado de homologação junto à Anatel irão atender à esta especificação conforme artigo 4 do anexo referente a radiação restrita.
No anexo específico referente a equipamentos de radiação restrita, em seu artigo 3, define que equipamentos enquadrados nesta modalidade não tem direito a proteção contra interferências provenientes de qualquer outra estação de radiocomunicação nem podem causar interferência em qualquer sistema.
Uma pratica comum no mercado e desassociar o equipamento da antena, contudo para esta modalidade de equipamentos o artigo 6, dificulta esta segregação.
utilizada apenas a antena comercializada com o equipamento, exceto em condições específicas previstas nos requisitos técnicos para certificação de produtos.
No artigo 9 desta nova resolução cita que na nova legislação equipamentos na faixa de 5GHz, deverão ter suas emissões confinadas aos ambientes internos das edificações, eliminando estes equipamentos do escopo deste trabalho.
Por fim o artigo 11 traz a preocupação dos sistemas existentes anteriores a nova legislação, falando que os equipamentos de radiação restrita existentes na data de publicação deste novo regulamento, poderão continuar em operação até o final de sua vida útil.
2.2 ANTENAS
Antenas podem ser definidas como, um dispositivo com a capacidade de radiar e receber ondas eletromagnéticas. Essa característica de radiação difere-se a cada tipo de antena, pois dependem da forma física e dos materiais utilizados em sua construção, fatores fundamentais na distribuição dos campos elétricos e magnéticos (SILVA, 2006; apud DA COSTA,2013).
As antenas utilizam-se de condutores, normalmente alocados em pares. Os dispositivos acoplados as antenas, produzem variações nas tensões que circulam por estes pares ou dipolos, com o intuito de produzir campos eletromagnéticos no espaço livre e desta maneira possibilitar as comunicações como ilustra a Figura 6.
Figura 6 - Esboço de uma antena Fonte: MAIA, 2000; apud DA COSTA,2013
A antena Isotrópica ou hipotética, constitui-se de um irradiador único e esférico, assim denominado também de unipolo. Esta antena, como já mencionamos, é
hipotética, ou seja, é uma antena que não existe fisicamente, e, portanto, é a antena que exprime a maior e melhor relação de irradiação e ganho que pode existir. Ela é utilizada como padrão de unidades de medidas e para definição de outras características (MAIA, 2000).
Na maioria dos casos de interesse prático, o terreno sobre o qual se dá a propagação apresenta topografia variada, vegetação e construções distribuídas de forma aleatória. Embora o cálculo da perda de propagação possa ser realizado ainda que com precisão limitada, utilizando métodos numéricos ou soluções para aproximações da equação de onda, os modelos mais utilizados para o cálculo de cobertura são semi-empíricos ou empíricos. Dessa maneira, um modelo de propagação pode ser definido como um conjunto de expressões matemáticas, diagramas e algoritmos utilizados para representar as características de um rádio enlace que devem levar em consideração o ambiente (BARRETO, 2013).
No caso de antenas isotrópicas, utilizaremos o modelo desenvolvido por Walfisch e Bertoni para calcular a atenuação devido à propagação no espaço livre A0
𝐴0 = 32,4 + 20𝑙𝑜𝑔(𝑑𝑘𝑚) + 20𝑙𝑜𝑔(𝑓𝑀𝐻𝑧) (1)
onde A0 é o valor médio da atenuação no espaço livre devido ao caminho de propagação (dB), f é a frequência da portadora e d é a distância entre o transmissor e o receptor.
2.3 GPRS (General Packet Radio Service)
Com o avanço dos sistemas de comunicações e da telefonia móvel, uma das formas de viabilizar o aumento do número de usuários foi a divisão de determinadas áreas geográficas em “células”, que são agrupadas em clusters. Cada célula é servida pelo seu próprio conjunto de radiotransmissores e radio receptores. Assim, reduz-se a potência necessária nas interfaces de rádio frequência, permitindo a reutilização das faixas de frequência em clusters diferentes como mostrado na variável D na Figura 7 abaixo. Dessa forma, em locais com grande densidade de usuários, projeta-se um
canais de frequência possam ser reutilizados mais vezes, aumentando a capacidade de usuários do sistema. Cada célula possui um determinado número de canais designados de acordo com o espectro disponível, e as BTSs (Base Transceiver
Station – Estações- Base Transceptoras) são projetadas para atingir apenas a área
de cobertura da sua célula (PIROTTI e ZUCCOLOTTO; apud ZAMPIERI , 2012).
Figura 7 - Distância de reuso de clusters Fonte: Albulquerque, 2009
O serviço GPRS cria uma rede de pacotes sobre a rede de telefonia celular para o envio e recepção de dados. Neste sistema de comutação de pacotes, um canal de rádio só é utilizado quando o usuário está efetivamente enviando ou recebendo dados. Este uso eficiente dos canais de rádio permite que um grande número de usuários utilize o sistema em uma mesma célula. O sistema oferece benefícios importantes em aplicações de telemetria: rápida conexão, tarifação por tráfego, velocidade (velocidade teórica máxima do sistema é 171,2 kbps), disponibilidade de equipamentos (diversos fornecedores de modems GPRS no mercado). Contudo apresentam algumas limitações importantes: cobertura do serviço, origem da conexão (apesar de tecnicamente possível, é muito difícil que as operadoras de celular disponibilizem endereços IP fixos e válidos) e custo do modem GPRS (DILLENBURG, 2012).
Logo todo acesso à internet através da rede móvel possui interferência devido as condições de sinal e da quantidade de conexões simultâneas na mesma antena da região em que estiver em uso, além das condições meteorológicas e geográficas da região.
2.4 ESTUDO DE CASO DE COMUNICAÇÃO SEM FIO PARA SISTEMA SCADA NA SANEPAR UNIDADE PATO BRANCO
Foi encontrado em documentos técnicos, um trabalho que apresenta uma problemática semelhante, implementado em uma concessionária de águas no estado Paraná (SANEPAR) em uma filial no sudoeste e oeste do Paraná. Porem a solução proposta neste trabalho apresenta-se com algumas diferenças onde relata-se a substituição de linhas cabeadas (este trabalho já possui conexão através de operadora de telefonia celular) existentes por um enlace com rádio (este trabalho visa utilização de equipamento de radiação restrita e frequências ISM na faixa de 2,4GHz), ligando a sala de controle às estações de tratamento de água.
A Figura 8 ilustra a situação do sistema antes da implementação do enlace em questão. Importante citar a diferença entre a forma de tributação de ambas tecnologias, no caso da utilização de linhas analógicas através de modens a operadora cobra em função do tempo de conexão independente da banda utilizada, em contrapartida utilizando um canal de dados normalmente a cobrança se dá pelo volume de dados trafegados independente do horário. Outro ponto levantado se refere a manutenção nas linhas e equipamentos nela conectados, causados por descargas atmosféricas, devido à grande extensão da linha aérea.
Figura 8 - Sistema SCADA SANEPAR – Regional Pato Branco Fonte: BOARETTO, 2005
O trabalho de BOARETTO propôs a utilização da integração das estações de recalque ao sistema SCADA com utilização de equipamentos de rádio, com frequência de 902-928 MHz e da estação de captação na frequência de 400 MHz como mostrado na Figura 9. O protocolo utilizado pelos equipamentos para comunicação com sistema SCADA consiste no MODBUS.
Figura 9 - Proposta Ampliação do Sistema SCADA – Pato Branco Fonte: BOARETTO, 2005
Os fatores principais de decisão pela escolha do rádio como meio de comunicação entre o computador e o controlador lógico programável (CLP) para supervisão e controle das estações remotas no tratamento de água são: eliminação dos custos mensais de transmissão de dados, manutenção reduzida, rapidez na instalação dos equipamentos e alocação das estações remotas, que independem da localização e da infraestrutura de telecomunicação (BOARETTO, 2005).
3 METODOLOGIA
Neste capítulo pretende-se abordar questões como, a infraestrutura física necessária, para implementação de um comparativo entre ambas modalidades de transmissão de dados, e como deverão ser realizadas as medições.
Como citado acima foi otimizada a comunicação existente utilizando um equipamento capaz de criar um enlace próprio de rádio, e comparado por um tempo determinado ambas soluções (rádio IEEE 802.11 e GPRS) operando simultaneamente no mesmo ponto e transmitindo informações ao mesmo software de supervisão.
3.1 OPÇÕES DE EQUIPAMENTOS E TECNOLOGIAS
Com objetivo de melhorar um enlace existente GPRS, concentraremos o foco deste tópico em equipamentos de radiação restrita que não apresenta necessidade de licenciamento para sua utilização.
Como relatado na seção de antenas efetuamos um cálculo da atenuação utilizando a equação (1) para as duas opções comerciais de equipamentos de radiação restrita de frequência ISM conforme Tabela 1.
Tabela 1 - Atenuação em função da frequência Fonte: Autoria própria
Frequência Atenuação
900 MHz 96,43 dB
2400 MHz 104,95 dB
Percebe-se que quanto maior a frequência maior a atenuação no espaço livre do sinal, isto remete a necessidade de um aumento de potência na transmissão diretamente proporcional ao aumento da frequência, condição não desejável para o tipo de equipamentos adotados (radiação restrita).
A Tabela 2 foi retirada da resolução ANATEL nº 680, de 27 de junho de 2017, que dita a faixa de frequência permitida para utilização de equipamentos de radiação restrita.
Tabela 2 - Anexo I-Faixas de radiofrequências utilizáveis por equipamentos de radiação restrita com limites de emissão alternativos, definidos em especificações técnicas
Fonte: ANATEL, 2017
Frequência Inicial Frequência Final Unidade
614 907,5 MHz
915 940 MHz
944 948 MHz
2400 2.483,5 MHz
Existe um limitador de opções, pois apenas equipamentos com homologação válida e com antena incorporada podem ser utilizados nesse projeto, portanto são poucos equipamentos no mercado nacional que atendem a este requisito, como mostra a Tabela 3.
Tabela 3 - Comparativo de preços de equipamentos Fonte: ANATEL, 2017
Equipamento Frequência de operação MHZ Preço
Ubiquiti Nanostation Locom9 902-907,5 e 915-928 R$ 575,00
INTELBRAS WOG 212 2400 2.483,5 R$ 268,00
TP LINK TL-WA7210N 2400 2.483,5 R$ 380,00
3.2 COMPARATIVO DE CUSTO
A solução encontrada atualmente utilizando modem com tecnologia GPRS traz uma evolução pois permite a comunicação remota, contudo apresenta uma série de problemas que não são desejáveis. Tal solução, além de apresentar um custo mensal de disponibilização dos dados, possui limitação de tráfego de dados em função da saturação da rede da operadora de dados contratada.
Fica evidente que o fator custo se torna relevante em qualquer análise de otimização, portanto foi realizado uma compilação na Tabela 4 do enlace proposto.
Tabela 4 -Preço para criação de enlace IEEE 802.11 Fonte: Autoria própria
Equipamentos Quantidade Preço
WOG 212 – INTELBRAS 2 R$ 268,00
Conversor ethernet para serial RS-485 1 R$ 950,00
TOTAL R$ 1486,00
A Tabela 5 ilustra o preço pago aos equipamentos existentes no ponto de entrega atualmente para comunicação.
Tabela 5 -Preço para criação de enlace GPRS Fonte: Autoria própria
Equipamentos Quantidade Preço
UNIDADE TERMINAL REMOTA FC3X-GE24-02 1 R$ 2.247,20
Antena GPRS 1 R$ 60,00
TOTAL R$ 2.307,02
3.3 ARQUITETURA DE COMUNICAÇÃO
Uma arquitetura identifica os componentes principais, seus sistemas de informação e as formas pelas quais estes componentes trabalham em conjunto para alcançar os objetivos definidos pelos sistemas de apoio (LIMA, 2014).
Logo objetiva-se com este tópico mostrar a diferença básica no modelo de comunicação atualmente utilizado do proposto. A Figura 10 ilustra o fluxo de um enlace utilizando a rede das operadoras celulares. A comunicação parte de um
modem capaz de conectar no sinal GPRS, e através deste tem acesso à internet, por
Figura 10 - Arquitetura das soluções propostas Fonte: Autoria própria
O enlace proposto neste projeto tem um fluxo direto, não existindo intermediários, como ilustrado na parte superior da Figura 10. Já na parte inferior ilustra a concepção existente. Nota-se que a operadora de provedora de internet móvel roteia o dado através da internet.
3.4 INSTALAÇÃO DE RÁDIOS
Áreas perigosas são locais onde existe ou pode existir uma atmosfera potencialmente explosiva ou inflamável devido à presença de gases, vapor, poeiras ou fibras (MANTECON, 2011).
Devido à natureza do fluido a ser monitorado (gás natural), há necessidade de cautela em relação a equipamentos elétricos alocados próximos as estações de gás natural.
A ABNT chama de zona as regiões onde os equipamentos com fluidos perigosos estão instalados. Ela classifica ainda essas zonas conforme o risco que estas estão submetidas.
Radio IEEE 802.11
• ZONA 1 Local onde a ocorrência de mistura inflamável/explosiva é provável de acontecer em condições normais de operação do equipamento de processo; • ZONA 2 Local onde a ocorrência de mistura inflamável/explosiva é pouco
provável de acontecer e se acontecer é por curtos períodos, estando associado à operação anormal do equipamento de processo (MANTECON, 2011).
Como a classificação das áreas contendo os equipamentos da concessionária para distribuição de gás não foi concluído até o fechamento desta pesquisa, foi necessário um esboço desta classificação afim de alocar corretamente as antenas. Para executar tal esboço foi utilizado o procedimento PR-69-984-CPG-001 que resultou nas Figura 11 e Figura 12 com vista em planta.
Figura 11 - Classificação de área prévia do city gate de Araucária Fonte: Autoria própria
As áreas em verde significam que todos os equipamentos elétricos presentes nela deverão ter no mínimo proteção para atmosferas zona 1, e analogamente as áreas em amarelo deverão ter no mínimo proteção para atmosferas zona 2. Como os equipamentos de rádio não possuem homologação para nenhuma das áreas citadas eles devem obrigatoriamente serem alocados fora das áreas preenchidas nos desenhos, ficando assim livre dos riscos inerentes ao fluido combustível.
Figura 12 - Classificação de área prévia do FAFEN Fonte: Autoria própria
3.5 SIMULAÇÃO DE ENLACE DOS RÁDIOS
Foi realizado uma simulação através do site do fabricante das antenas utilizadas conforme Figura 13 onde percebe-se uma pequena interferência na visada direta, provavelmente em função de um viaduto localizado na BR-476 (rodovia do Xisto) logo à frente do ponto de entrega da concessionária.
Figura 13 - Simulação da instalação das antenas de rádio Fonte: Resultado simulação (INTELBRAS, 2017)
Como resultados quantitativos esta simulação gerou, um nível de sinal do receptor em torno de -66,65dBm. Segundo a folha de dados do equipamento, ele possui sensibilidade para operar em IEEE802.11 g com sinal em -79dBm com a máxima taxa de transmissão teórica de 54Mbps conforme mostra Figura 14.
Figura 14 - Resultados de simulação do enlace proposto e especificação técnica do equipamento.
Fonte: INTELBRAS, 2017
3.6 REQUISITOS DE DESEMPENHO
O sistema supervisório existente permite programação em linguagem semelhante ao visual basic. Tal característica permite o desenvolvimento scripts, para mensurar parâmetros de desempenho.
Como relatado acima os critérios importantes a serem mensurados e analisados tem relação direta com a qualidade do dado (atraso e taxa de erros) e sua disponibilidade.
Serão discutidos adiante a maneira como foram implementadas as métricas de desempenho utilizados como comparativo neste trabalho.
3.6.1 Atraso
Este parâmetro tem relação direta entre uma requisição ser enviada e o tempo que a rede demora a responder esta requisição.
Uma forma comum de medir esse atraso ou latência seria coletar amostras regularmente e em tempos fixos. Este método mostra-se atrativo pela simplicidade, mas pode apresentar alguns problemas. Se a latência da rede apresentar comportamentos periódicos coincidentes com os momentos de amostragem, existe a possibilidade de as amostras observarem somente parte do comportamento. Além disso, as medições periódicas e repetidas podem gerar perturbações na rede. (KIELING,2001).
Foram desenvolvidos scripts em cada variável monitorada, de modo a criar variáveis auxiliares, capazes de medir o tempo entre a última resposta recebida e a que ele acabou de receber. A Figura 15 ilustra a tela de desenvolvimento junto ao algoritmo utilizado. Estes dados foram configurados para serem salvos em um banco de dados para posterior análise.
Figura 15 - Algoritmo para medição de atraso Fonte: Autoria própria
3.6.2 Taxa de erros de transmissão
Este parâmetro indica a probabilidade de o resultado recebido ser válido, logo quanto maior a quantidade de erros, maior deve ser a probabilidade do dado recebido não ter utilidade ao operador.
Entende-se por erro, a requisição enviada ao equipamento de destino e, que por algum motivo, dentro de um tempo pré-estabelecido, chamado de timeout pelo sistema, não obteve resposta. Esta reposta pode ainda, apresentar algum tipo de inconsistência no algoritmo, de verificação de erro chamado CRC (Cyclic redundancy
check).
Como mencionado anteriormente o sistema de supervisão, permite criar algoritmos afim de quantificar os erros. Foram criados eventos em função da qualidade do dado, ou seja, quando a qualidade do dado for insatisfatória o software contabiliza erro, e analogamente quando for satisfatória contabiliza dado como acerto, como mostra a Figura 16.
Desta maneira torna-se possível guarda-los em um banco de dados para futura análise. Tendo a quantidade de erros, torna-se oportuno elaborar taxas em função do tempo de conexão para criação de indicadores de desempenho.
3.6.3 Disponibilidade
Para o usuário final, este parâmetro tem grande relevância. Quanto maior este parâmetro mais dado o operador dispõe, possibilitando maior controle.
Novamente o sistema de supervisão permite, a criação de algoritmos para medir este parâmetro. Isto pode ser feito comparando nos dados existentes os parâmetros de qualidade do dado, através de uma consulta ao banco de dados como mostrado no algoritmo da Figura 17.
Através de operações matemáticas pode se manipular estes valores afim de criar indicadores para avaliar a efetividade de ambas soluções propostas (enlace
Wi-Fi e enlace GPRS).
Todos parâmetros analisados não deverão sofrer influencias dos hardwares dos servidores, visto que o software de supervisão, opera virtualizado em um servidor sem interrupções.
Figura 17 - Consulta para medição de disponibilidade Fonte: Autoria própria
4 RESULTADOS
Foi montado um painel com os equipamentos necessários para o teste conforme ilustra a Figura 18 no city gate de Araucária na área descrita na Figura 11 como abrigo de equipamentos. Neste painel foram instalados vários conversores, de modo a compatibilizar os sinais disponíveis nos equipamentos instalados e a mídia de comunicação.
Figura 18 Quadro com equipamentos para o teste Fonte: Autoria própria
Por fim ilustra-se a instalação de ambas antenas nos pontos relatados neste mesmo trabalho na Figura 19.
Figura 19 - Instalação das antenas de radiação restrita
Conversor PoE
MODEM GPRS
Fonte
Switch
Conversor Ethernet para serial
Conversor RS-232 para RS-485
Como relatado ao longo deste trabalho o intuito da pesquisa se deve em otimizar um sistema de comunicação já existente. Com base nisso, serão abordados os resultados obtidos através do comparativo deste trabalho.
4.1 ANÁLISE DO ATRASO
De modo a dar credibilidade a pesquisa foram avaliados o período entre os dias 23 de setembro de 2017 até meados do dia 19 de novembro de 2017 conforme o Figura 20 abaixo.
Figura 20 - Atraso de comunicação entre WIFI e GPRS amostral Fonte: Autoria própria
Percebe-se com estes dados que o enlace dedicado apresenta pontos semelhantes ao GPRS, contudo nitidamente percebe-se que em sua maioria se aproximam de valores menores. As situações em que ambos parâmetros se assemelham são explicados pelas condições meteorológicas naqueles períodos.
Assim optou-se pela realização de uma análise mais profunda em dois dias específicos com condições meteorológicas distintas, sendo o primeiro mostrado na Figura 21, sendo a escala das abcissas o horário do dia 23 de setembro e o eixo das ordenadas se refere ao referido atraso de cada requisição realizada pelo software de supervisão. Neste dia o tempo apresentou céu claro e limpo, o atraso médio registrado neste dia para o enlace WiFi foi de 19 milissegundos e de 1,45 segundos para o enlace GPRS.
Figura 21 - Atraso de comunicação entre WIFI e GPRS do dia 23/09/17
Amostrou-se um dia com condições climáticas adversas para verificar o impacto tal condição poderia ocasionar neste comparativo. A Figura 22 fica claro que a condição chuvosa se iniciou próximo das 14 horas e permaneceu durante o resto do período amostrado, impactando muito no atraso do enlace. Neste dia o atraso médio registrado para o enlace WiFi foi de 58 milissegundos e de 1,37 segundos para o enlace GPRS.
Figura 22- Atraso de comunicação entre WIFI e GPRS do dia 14/10/17
0 2 4 6 8 10 12 6:00:00 8:24:00 10:48:00 13:12:00 15:36:00 18:00:00 Atra so (s egu n d o s)
Horário do dia corrente
23 de Setembro de 2017
GPRSWifi 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 24:00:00 Atra so (s egu n d o s)Horário do dia corrente
14 de Outubro de 2017
GPRS4.2 TAXA DE ERROS DE TRANSMISSÃO
Novamente foi realizado um estudo preliminar no mesmo período do parâmetro anterior com a quantidade de dados com erros recebidos e descartados pelo sistema de supervisão. A Figura 23 ilustra os erros no período analisado.
Figura 23 - Taxa de erros do amostral Fonte: Autoria própria
Percebe-se que os erros da rede GPRS acontecem em uma quantidade maior e praticamente cíclicos, enquanto no enlace dedicado são sazonais e em número menor de eventos.
Como realizado no parâmetro anterior foram escolhidos dois dias com condições meteorológicas distintas para uma análise mais aprofundada deste parâmetro. A Figura 25 ilustra um dia com condições de tempo seco e céu aberto, sem eventos de chuva registrados.
0 1 2 3 4 5 6 7 22/9 2/10 12/10 22/10 1/11 11/11 Qu an tid ad e d e erros 2017
Erros Amostragem
GPRS WiFiFigura 24 - Taxa de erros do dia 23/09/17 Fonte: Autoria própria
A Figura 25 ilustram uma compilação do dia com condição meteorológica adversa, ou seja, com presença de chuva depois das 14 horas. Isto pode explicar uma concentração maior de erros após este horário.
Figura 25 - Taxa de erros do dia 14/10/17
0 1 2 3 4 5 6 7 8 06:00:00 08:24:00 10:48:00 13:12:00 15:36:00 18:00:00 Qu an tid ad e d e erros Hora do dia
23 de Setembro de 2017
GPRS WIFI 0 1 2 3 4 5 6 7 8 00:00:00 02:24:00 04:48:00 07:12:00 09:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 00:00:00 Qu an tid ad e d e erros Horas do dia14 de outubro de 2017
wifi GPRS4.3 DISPONIBILIDADE
Por fim foram levantados o tempo em que o sistema ficou sem a informação solicitada. Neste caso foi realizado uma consulta ao banco de dados e foi avaliado o atributo qualidade de cada campo, e desta forma foi possível a mensuração da razão do tempo disponível sobre o tempo total do dia mostrados na Figura 26.
Figura 26 - Disponibilidade percentual amostral Fonte: Autoria própria
Percebe-se uma diferença considerável no tempo disponível de ambas tecnologias, mesmo em condições climáticas adversas. O enlace IEEE 802.11 obteve um desempenho superior neste parâmetro.
Neste trabalho houve uma grande dificuldade justamente neste parâmetro, pois o enlace por GPRS apresentou-se instável, fato que dificultou a escolha dos dias para análise de dados. 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% 23/9 3/10 13/10 23/10 2/11 12/11 Po rce n ta ge m d o t em p o d iário 2017
Disponibilidade Percentual
WiFi GPRS5 CONCLUSÕES FINAIS
Este estudo apresentou uma possibilidade pouco pesquisada, e pouco implementada, por concessionarias de serviços públicos que, apresentam problemáticas semelhantes referente, a dificuldade de executar enlaces através de cabos.
Tal proposta apresenta uma perspectiva de vislumbrar cenários maiores. Percebe-se nos grandes centros, conglomerados de indústrias, que se instalam em regiões geográficas normalmente próximas. Portanto a utilização de rádios dedicados pode ser uma alternativa de melhor performance, bem como menor custo para concessionarias de serviços públicos nestas regiões.
Neste contexto vale ressaltar que as bandas para tráfego de dados são dependentes apenas do enlace e tecnologias utilizadas, não são atreladas a um plano fixo mensal determinado por uma operadora celular. Isto abre como possibilidade um parque maior de instrumentos e até mesmo pontos de monitoramento por imagem para casos críticos.
Por fim percebeu-se que uma maior robustez do enlace de rádio perante ao GPRS. Nota-se que em ambos os casos as condições climáticas afetam os enlaces, porem mesmo assim o rádio consegue manter um nível aceitável na conexão para um trafego de dados aceitável.
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