Drones em automação

Drones em Automação: sistemas aéreos não tripulados seguros

Por Marissa Morales-Rodriguez, Sterling Rooke, Peter Fuhr e Penny Chen

 

Fábricas, refinarias, utilidades (águas / águas residuais, eletricidade) e demais setores industriais são estruturas e sistemas complexos com procedimentos de manutenção de milhares de plantas de geração, com milhões de controles digitais. Mais de 1.800 entidades possuindo e operando partes da malha do sistema, com milhares mais envolvidas na operação de redes de distribuição em toda a América do Norte. A natureza interconectada e interdependente da malha do sistema de energia requer uma aplicação coerente e sistemática de mitigação de risco em toda a malha do sistema para ser verdadeiramente eficaz. Situações semelhantes são encontradas em toda a indústria de automação, que também tem frequentemente uma infraestrutura envelhecida.

Considere, por exemplo, a situação de uma refinaria ou uma unidade de processamento químico, com o requisito para a inspeção de detecção de vazamentos em tubulações, interconexões e sistemas em toda a planta. As práticas e desafios atuais apenas relativos a esta tarefa de detectar quaisquer emissões fugitivas e documentar todas as medições, satisfazendo as normas de conformidade, normalmente são "manipulados" por um pequeno exército de indivíduos com detectores portáteis. Eles andam através de estruturas de suportação de tubulações executando medições em cada flange. Esse trabalho é realizado em condições difíceis (em termos de temperatura, umidade e limitações físicas) e tem frequentemente um elevado nível de rotação dos empregados. Pensando em sensores de baixo custo e plataformas móveis, em outras palavras temos os sistemas aéreos não tripulados móveis (UASs - Unmanned Aerial Systems ou drones) com capacidades de detecção aprimorados.

Drones – Mais que câmeras voadoras

Veículos aéreos pilotados remotamente têm sido utilizados, principalmente por forças militares, desde a Segunda Guerra Mundial. Com os recentes avanços tecnológicos na capacidade de computação do microprocessador, na miniaturização do sensor e no software de propósito específico, a tecnologia UAS estabeleceu um novo nicho significativo na evolução da aviação. Alternativamente rotulados de sistemas de aeronaves não tripuladas, veículos aéreos não tripulados, ou simplesmente drones, os pequenos UAS (sUASs) estão se tornando facilmente acessíveis para uso comercial, governamental e privado, através de uma miríade de aplicações de longo alcance. Note que o Oak Ridge National Laboratory's UAS Research Center lançou recentemente um guia de melhores práticas para a operação de UAS por empresas de energia elétrica. Veja no texto abaixo uma visão geral das regras FAA de operação legal.

Figura 1. Alguns indivíduos veem o drone como uma câmera com asas.

Embora um drone "tradicional" tenha uma câmera, onde ainda imagens de possam ser armazenadas em um dispositivo de memória incorporado, ou, em alguns casos, transmitida sem fios para um dispositivo portátil, a situação operacional muda quando os sensores do drone podem comunicar-se diretamente com um sistema de controle ou um sistema supervisório ou um sistema de aquisição de dados (SCADA). Tal nível de integração requer segurança na transmissão de comunicação bidirecional, bem como sincronização do protocolo. Tais comunicações tem sido demonstradas utilizando a telefonia celular, bem como transmissão sem fio em banda licenciada ou não licenciada. Com relação à informação apresentada na figura 2, os sensores incorporados nos drones sensores são controlados através de regras aprovadas pela Federal Aviation Administration americana (FAA), mas com o dispositivo sensor comunicando-se diretamente na rede de comunicação principal da planta através de conexão sem fio a 900 MHz e disponibilizando o dado no sistema SCADA (em vez de usar o mesmo canal sem fio de controle do drone).

Figura 2. Múltiplos drones com sensores foram usados para medir uma grande quantidade de parâmetros no site de treinamento EPB em Chattanooga, Tenn.

Múltiplos sensores existem dentro da variedade de parâmetros medidos, incluindo temperatura, umidade, pressão atmosférica, movimento (via acelerômetros), intensidade de campo magnético e elétrico, descarga de arco de efeito corona, imagem térmica com infravermelho (FLIR), visual de imagens, sinais de telefone celular (Verizon, AT & T, T-mobile, Sprint) e CH4 (metano). Microcontroladores adicionais e equipamentos de rede miniaturizados especializados foram colocados dentro do conjunto sensor, junto com um sistema de fornecimento de energia à base de bateria adaptado para o conjunto do sensor. Uma foto de um drone e conjunto sensor atuando na inspeção de um transformador de distribuição eléctrica é mostrado na figura 3. Essas demonstrações de provas de soluções conceituais mostram sensores transportados pelo ar fornecendo medições em tempo real para os sistemas de automação, demonstrando um vislumbre de aplicações futuras.

 Figura 3. Sensor incorporado no drone inspecionando um transformador do sistema de distribuição elétrica

Ser capaz de realizar avaliações tridimensionais e inspeções, utilizando uma plataforma de sensores operada remotamente, levou a uma enxurrada de uso potencial de UASs, tanto imaginados como realizados. UASs de todos os tipos já foram usados em uma ampla variedade de aplicações em modos práticos, como em fotografia aérea, agricultura, entrega comercial, entretenimento, exploração, defesa nacional, segurança pública, vigilância e termografia. Futuras aplicações imaginadas vão ajudar em avanços em termos de precisão na agricultura, sensoriamento remoto no sector de energia, segurança nacional e de reconhecimento da aplicação da lei, e análise de serviços públicos. Tais "aplicações futuras" se beneficiarão das plataformas móveis (controladas remotamente ou autonomamente) incorporando uma ampla gama de sensores para um local ou aplicação de interesse.

Operação e horários de voo

Peso versus força, versus tempo de voo (operacional) apresenta o clássico perder-ganhar em uma operação de voo limitada pelo abastecimento de combustível, sejam em aviões, drones ou foguetes espaciais. Dados empíricos deram forma aos estimadores sobre a vida útil da bateria para operação de drones. A Figura 4 apresenta o intervalo estimado com base em uma ampla variedade de parâmetros.

Figura 4. O range que um drone pode ir (e retornar) para uma variedade de parâmetros.

Note que a Figura 4 incorpora o cálculo do peso total do drone, mas especificamente dentro do contexto de drones com sensores. O gráfico não inclui a possibilidade de o sensor ser desligado da mesma fonte de bateria do próprio drone. A estimativa de trabalho para um drone operado por bateria é um tempo de voo de aproximadamente 20 minutos. Note que existem extremamente diferentes tempos de voo para diferentes configurações de drones, que variam de alguns minutos a uma hora. Dito isto, a regra de trabalho de aproximadamente 20 minutos para um drone consumidor padrão é precisa.

Como a tecnologia da bateria (especificamente densidade de energia) continua a evoluir, as questões complementares de faixas de voo mais prolongadas ou durações, são antecipadas. Dadas as regras da FAA de operação de drones e de controle de voo, um conjunto de questões que se coloca é tipicamente associada com a operação dos limites de visualização (BVLOS - Beyond-Visual-Line-of-Sight) e suas implicações no uso de drones em ambientes industriais, além dos horários de voos (e quanto tempo pode o drone voar).

Mais uma vez, as regras da FAA são bastante claras sobre BVLOS, começando com a definição: "BVLOS" significa que os membros da tripulação de voo (ou seja, piloto remoto no comando, a pessoa manipulando os controles e observadores visuais se usado) não são capazes de ver a aeronave sem a ajuda de qualquer dispositivo que não seja por lentes corretivas (óculos e lentes de contato).

Embora as missões UAS correntes sejam realizadas em missões VLOS, há limites óbvios para inspeções VLOS. No que diz respeito à operação BVLOS para concessionárias elétricas, o BVLOS permite o pessoal monitorar as linhas de energia sobre trechos de corredores mais longos. Através da “FAA Extension, Safety, and Security Act of 2016”, o Congresso americano autorizou a FAA para desenvolver novas regras para beneficiar especificamente o setor de energia elétrica e outros operadores de infraestrutura crítica. Sob esta nova legislação, a FAA vai começar a desenvolver regras que permitem voos BVLOS e voos noturnos. Outras mudanças são esperadas para simplificar o licenciamento de voos UAS e melhorar a viabilidade comercial e segura, facilitando a inspeção da infraestrutura crítica. Quaisquer novas regras não deverão tornar-se parte dos regulamentos formais até 2018 ou além. No entanto, operadores aguardam isenções em alguns regulamentos da norma “Part 107”, como poder voar em distâncias BVLOS. Algumas dessas renúncias são susceptíveis de ser concedidas antes da regulamentação formal que surgirão a partir do ato de 2016. Em 28 de dezembro de 2016, a FAA aprovou um certificado de autorização para o “Northern Plains UAS Test Site” em Dakota do Norte, para ser o primeiro nos EUA a ter operacionalidade BVLOS. Outros locais dentro dos EUA tem agora similares isenções à regra BVLOS.

Voo coordenado e sensoriamento colaborativo

Avanços em sistemas de controle para voos dinâmicos UAS operando em microcontroladores de baixo custo e leves (consumo e requisito computacional) com comunicações sem fio em rede, levaram a casos em que vários drones voem em formação. Tal voo coordenado foi demonstrado durante o intervalo do show do 2017 Super Bowl e em vários parques de diversões em todo o mundo. Em um ambiente de automação, o voo coordenado de vários drones, cada um equipado com uma variedade de sensores, leva a sensoriamento colaborativo de sensores móveis. Exemplos de casos em que tais "voo coordenado - sensoriamento colaborativo" (CFCS) aplicações existem incluem as possibilidades de detecção de substâncias químicas, tais como as condições de CH4 ambiental e condições ambiente associadas aos tanques de armazenamento em locais de fratura hidráulica (Figura 5), inspeção de pontes, e instalações de geração de energia (examinando tubulações para ciclos térmicos rápidos de fissuras de usinas de geração a carvão, devido à variabilidade do vento).

 Figura 5. Um drone como uma plataforma de sensor móvel permite que medições ocorram numa variedade de situações, tais como aquelas associadas com rastreamento de fissuras.

Sistemas de gerenciamento de tráfego com UAS são extremamente importantes para a indústria de drones. Estes sistemas ajudam a manter o controle de drones voadores, e entre o tráfego não tripulado e tripulado. Desenvolvimentos no seio da Academia, laboratórios nacionais (por exemplo, o Department of Energy and National Aeronautical and Space Administration dos USA) e o setor privado estão em andamento para sistemas de detecção UAS viáveis e implementáveis.

Usando detecção baseada em drones

Não é apenas o sensoriamento baseado em drones, mas sim como usar as medições feitas através de tais plataformas que é significativo. As seguintes declarações de Thomas Haun, vice-presidente de estratégia e globalização da PrecisionHawk UAV Technology, são aplicáveis em todas as áreas de aplicação onde os sensores baseados em drones podem ser usados:

 “Os drones comerciais estão a voar. A indústria precisa ver além do UAV e se concentrar no real diferencial: análises acionáveis através de dados aéreos. À medida que nos preparamos para adoção generalizada e integração em grandes mercados, como a agricultura, petróleo e gás, segurança, infraestrutura, respostas de emergência, e ciências da vida, as empresas precisam de uma solução inteligente que combine hardware de UAV e software de análise automatizada de dados para entregar resultados tangíveis em escala.”

A interseção da Internet Industrial das Coisas (IIoT), a segurança Cyber-física, e os drones com sensores incorporados apresentam uma disposição de oportunidades para o uso na automação. Padrões e diretrizes podem ajudar a esculpir um caminho ordenado em frente. Este caminho permitirá à indústria incorporar tecnologias avançadas em procedimentos e práticas uma vez que este setor de mercado em expansão introduza dispositivos e sistemas. Prevê-se que no futuro muito próximo drones de tamanhos variados e complexidades, equipados com sensores, sejam operados a partir de um centro de controle localizado remotamente, com medições em tempo real misturadas com dados de sensores de outras plataformas fixas e móveis. Isto permitirá então monitorações e armazenamento dentro de um controle industrial ou sistema SCADA, como o mostrado na Figura 6.

As divisões Test & Measurement e Communication da ISA tem atualmente um grupo de trabalho conjunto focado em IIoT, segurança cibernética e sistemas aéreos não tripulados, com o exame associado de segurança funcional e operacional, para quando esses dispositivos são implantados em um sistema de controle. Informações adicionais sobre estes e tópicos relacionados, incluindo vídeos da operação de drones com sensores incorporados, estão disponíveis no site de cada divisão da ISA.

Figura 6. Integração de sensores fixos e móveis, UAS e montados em caminhões, com comando, controle e dados em tempo real coordenados em um centro.

Novas regras da FAA americana

Os regulamentos novos abrangentes da FAA para a rotina, uso não-recreativo de sUASs - mais popularmente conhecido como “drones-went” - entrou em vigor em 29 de agosto de 2016. As disposições da nova regra, conhecida como Part 107 ou regra 107 (14 CFR parte 107), são concebidas para minimizar os riscos para outras aeronaves e para as pessoas e bens no solo.

A FAA colocou vários processos em vigor para ajudá-la a tirar proveito da regra:

Renúncias: Se sua operação proposta não cumpre completamente com as regulamentações da Part 107, você precisa se aplicar para a renúncia de algumas das limitações. Você deve provar que o voo proposto será conduzido com segurança defendendo uma renúncia. Os usuários devem solicitar tais renúncias no portal on-line: www.faa.gov/uas.

Autorização do espaço aéreo: Você pode voar seu drone no espaço aéreo da classe G (descontrolada) sem autorização do controle de tráfego aéreo, mas as operações em qualquer outro espaço aéreo (isto é, regras de voo por instrumentos) precisam a aprovação do tráfego aéreo. Você deve requisitar o acesso ao espaço aéreo controlado através do portal eletrônico em www.faa.gov/uas, e não através das facilidades do tráfego aéreo individual.

Sumário da 14 CFR Part 107 (FAA rule/Part 107)

A regulamentação da FAA Part 107 regulamentos, a qual quer legalizar o uso de drones comerciais, aumenta drasticamente o número potencial de usuários UAS. Qualquer um pode agora legalmente operar um UAS como parte de um negócio, depois de passar pela primeira vez por um teste de conhecimento aeronáutico e, em seguida, registrar-se com a FAA. Nos primeiros dois dias após o teste tornou-se disponível o dado: 1.338 pessoas tinham completado o teste com uma taxa de aprovação de 88%.

Pequenas limitações operacionais do sistema aéreo não tripulado

As seguintes restrições e limitações baseiam-se em "operação e certificação de pequenos sistemas de aeronaves não tripulados: regra final", como publicada no registo federal, volume 81 (124), de 28 de junho de 2016, pp. 42063-42214 (FAA, 2016).

  • sUASs devem ter peso menor que 25 kg.
  • sUASs deve permanecer dentro da linha de visão visual do piloto remoto no comando, e da pessoa que manipula os controles de voo do sUASs. Alternativamente, o sUAS deve permanecer dentro do observador sisual VLOS.
  • sUASs Não podem operar sobre quaisquer pessoas que não estejam participando diretamente na operação, em estrutura coberta, ou dentro de um veículo estacionário coberto.
  • sUASs são limitados às operações somente a luz do dia, ou 30 minutos antes do nascer do sol ou após o pôr-do-sol, na hora local, com iluminação de anticolisão apropriada.
  • sUASs devem liberar rotas para outras aeronaves.
  • As câmeras de visualização de primeira pessoa não podem satisfazer os requisitos de "ver e evitar", mas podem ser usadas enquanto os requisitos forem satisfeitos de outras formas.
  • sUASs são limitados a uma velocidade de terra máxima de 161 km/h e uma altitude máxima de 122m acima do nível do solo (AGL) ou, se superior a 122m AGL permanecem dentro de um raio de 122m de uma estrutura. Eles devem voar não acima de 122m do limite superior de uma estrutura.
  • As operações de carga externas são permitidas se o objeto que está sendo carregado pelo UAS estiver firmemente preso e não afetar negativamente as características de voo ou a controlabilidade da aeronave.
  • O transporte de alguma forma de pagamento é permitido se:
    • a aeronave, incluindo os seus sistemas incorporados e carga, pesam menos de 25 kg no total.
    • o voo é conduzido dentro do VLOS e não de um veículo ou de uma aeronave em movimento.
    • o voo ocorre totalmente dentro dos limites de um estado e não envolve o transporte entre (1) Havaí e outro lugar no Havaí através do espaço aéreo fora do Havaí; (2) o distrito de Columbia e outro lugar no distrito de Columbia; ou (3) um território ou possessão dos EUA e outro lugar no mesmo território ou possessão.

A maioria das restrições enumeradas acima são renúncias se o requerente demonstrar que a sua operação pode ser seguramente conduzida sob os termos de um certificado de renúncia.

Para obter mais informações, baixe "An Early Survey of Best Practices for the Use of Small Unmanned Aerial Systems by the Electric Utility Industry," ORNL-TM2017/93, de www.ornl.gov/content/new-report-provides-drone-use-best-practices-electric-utilities.

Reflexões

  • É hora de pensar em um drone mais do que uma câmera voadora- é uma plataforma móvel para facilmente entregar sensores para vários locais.
  • As regras para uso não-recreativo de drones mudaram recentemente, tornando mais fácil voar legalmente em configurações industriais.
  • Os microdrones equipados com pequenos sensores passivos estão a migrar do laboratório para um serviço prático a um custo verdadeiramente baixo.

 


Sobre os Autores:

Marissa Morales-Rodriguez, PhD, é cientista de pesquisa e desenvolvimento do Oak Ridge National Laboratory. Ela tem trabalhado em ciências químicas, concentrando-se em aplicações relacionadas com sensoriamento, fabricação de aditivos e segurança de documentos. Morales-Rodriguez é diretora-eleita da ISA Test & Measurement Division e recebeu o título de PhD em Ciências Energéticas da Universidade do Tennessee Bredesen Center em agosto de 2017.

Sterling Rooke, PhD, é o fundador da X8 LLC, uma empresa de tecnologia focada em sensores industriais com um olho para a segurança cibernética e energética. Em tempo parcial, Rooke é o diretor de treinamento dentro de um esquadrão de operações cibernéticas na força aérea dos EUA. Em seu papel como oficial de reserva militar, Rooke conduz aviadores através de exercícios de treinamento para se prepararem para futuros conflitos no ciberespaço. Ele é o diretor-eleito da divisão da ISA Communication Division. Rooke recebeu seu PhD em engenharia civil pela Universidade de Maryland.

Peter Fuhr, PhD, é um distinto cientista do Oak Ridge National Laboratory e é também o diretor de tecnologia do Unmanned Aerial Systems (UAS) Research Laboratory. Ele é o diretor da ISA Test & Measurement Division. Fuhr recebeu seu PhD em engenharia elétrica pela Universidade Johns Hopkins.

Penny Chen, PhD, é uma estrategista sênior de tecnologia na Yokogawa US Technology Center (USTC), responsável pela estratégia de tecnologia e padronização com foco em Wireless, redes e segurança relacionada, e explorando novas tecnologias para aplicações industriais. Chen está ativamente envolvida na norma ISA100, sistemas sem fio para automação e uma variedade de atividades de padronização de loT, incluindo o IEEE P2413 IoT Architecture Reference Framework. Chen recebeu um PhD em engenharia elétrica pela Northwestern University. Ele é a diretora da divisão de comunicação da ISA.

 


Artigo traduzido por Tomé Guerra para a ISA São Paulo Section, e republicado com permissão da ISA, Copyright © 2017, Todos os direitos reservados. Este artigo foi escrito pelos autores acima e publicado originalmente na revista InTech Online de Mai-Jun / 2017 em: https://www.isa.org/intech/20170603. A ISA não se responsabiliza por erros de tradução neste artigo.

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