Redes Industriais IEEE 802.11 x IEEE 802.15.4: Uma análise comparativa no monitoramento de paradas de máquinas

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Autor

Katharine Schaeffer Fertig

Orientador

Prof. Odilson Tadeu Valle

Coorientador

Prof. Eraldo Silveira e Silva

Curso

Engenharia de Telecomunicações

Resumo

O monitoramento em tempo real de equipamentos em uma linha de produção é crucial para a previsão de perdas por paradas de máquinas e a geração de indicadores de qualidade na indústria. Diversas aplicações de monitoramento e sensoriamento têm adotado padrões de comunicação wireless devido ao baixo custo de implantação e manutenção das suas redes em comparação à redes cabeadas. Em especial, o padrão sem fio IEEE 802.15.4 possibilita, além de um baixo custo, um menor consumo energético na rede. Entretanto, devido à difusão do protocolo IEEE 802.11 como principal padrão para comunicação sem fio indoor, o mesmo tem sido adotado como primeira opção de pequenas e médias empresas no processo de digitalização e flexibilização de seu chão de fábrica. Porém, devido à severidade das plantas industriais, alguns requisitos devem ser analisados para a implantação de padrões de comunicação em redes de sensores nestes ambientes. Este trabalho analisou, portanto, o desempenho dos padrões de comunicação sem fio IEEE 802.11 e IEEE 802.15.4 no monitoramento em tempo real de dados de paradas de máquinas de manufatura no ambiente industrial. Utilizou-se de revisão bibliográfica, um comparativo teórico dos padrões e simulação computacional de eventos discretos – por ferramenta OMNET++ – de uma rede de sensores para analisar o desempenho dos padrões de comunicação. Avaliou-se a vazão média da rede, a confiabilidade a partir da métrica de desempenho de taxa de perda de pacotes (PER) e observou-se a eficiência energética de acordo com a métrica de consumo energético. Constatou-se que o padrão IEEE 802.15.4 apresenta melhor eficiência energética para todos os cenários de simulação, mas atende os requisitos de confiabilidade (taxa de PER) apenas para cenários de 3 nodos e cenários com ciclo de trabalho de 500ms. Averiguou-se que o padrão IEEE 802.11 apresentou melhores resultados de taxa de PER e vazão média, porém não alcançou os requisitos mínimos de eficiência energético da rede. Concluiu-se, portanto, que o padrão IEEE 802.15.4 apresentou um melhor desempenho geral, especialmente no cenário ideal proposto de 8 nodos sensores com taxa de transmissão de 500ms, típico para redes de monitoramento de tempo real flexível de paradas de máquina em indústrias de pequeno porte.

Palavras chave

Redes industriais. Comunicação wireless. IEEE 802.11. IEEE 802.15.4. Redes de sensores.

Abstract

The real-time monitoring of equipments on a production line is crucial for predicting losses due to machine downtime and generating quality indicators in the industry. Several monitoring and sensing applications have adopted wireless communication standards due to their deploying and maintaining low costs compared to wired networks. In particular, the IEEE 802.15.4 standard enables in addition to a low cost maintainence, a lower energy consumption on the network. However, due to the widespread use of the IEEE 802.11 protocol as the main standard for indoor wireless communication, it has been adopted as the first choice of small and medium enterprises on their shop floor digitization and flexibilization process. Nonetheless, due to the severity of industrial plants, some requirements must be analyzed before the implementation of communication standards in sensor networks in these environments. This work therefore analyzes the performance of the IEEE 802.11 and IEEE 802.15.4 wireless communication standards in real-time monitoring of manufacturing machine downtime data in the industrial environment. It used literature review, theoretical comparative of the patterns and computational simulation of discrete events – with OMNET ++ tool – of a sensor network to analyse the performance of the communication standards. It was evaluated the average flow of the network, the reliability using the performance metric of packet loss rate and the energy efficiency was observed according to the energy consumption metric. It was found that the IEEE 802.15.4 standard features better energy efficiency for all simulation scenarios, but meets the reliability requirements (PER) only for the 3-node scenarios and 500ms transmission rate scenarios. It was noted that the IEEE 802.11 standard showed better results of PER rate and average flow, however, it did not reach the minimum energy efficiency requirements of the network. It is concluded, therefore, that the IEEE 802.15.4 with Beacon standard showed a better overall performance, especially in the proposed ideal scenario of 8 sensor nodes with a transmission rate of 500ms, typical for flexible real-time monitoring networks of machine stops in small industries.

Keywords

Industrial networks. Wireless communication. IEEE 802.11. IEEE 802.15.4. Wireless Sensor networks.

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