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Procedimento de atualização de hardware para acesso a dados HART em remotas PROFIBUS

 

Leandro Schaan Profes, Gerente de Contas Internacionais, e  Rafael Lima, Coordenador de Projetos, Altus Sistemas de Informática.

 

A utilização de instrumentos inteligentes na automação de processos é um fator que agrega valor a planta permitindo aumentar a disponibilidade da mesma e possibilitando a utilização mais eficaz de recursos, aumentando por consequência o retorno das companhias com a diminuição do desperdício. Mas afinal o que é um instrumento inteligente?

Instrumentos inteligentes permitem acesso e configuração de outros dados além dos dados usados na malha de controle da planta. Por exemplo, um transmissor de pressão inteligente mede sua temperatura interna e externa, e permite diagnosticar problemas de funcionamento do mesmo quando percebesse alguma anomalia nesta informação monitorada ao longo do tempo. Nos instrumentos inteligentes também é possível acessar informações de configuração sem remover o instrumento do campo. Informações como unidade de medida, limites de máximo e mínimo da medição e configuração de alarmes ficam armazenados internamente ao instrumento e pode ser acessadas e até mesmo alteradas remotamente.

A instrumentação é parte do ativo de uma planta. As operações de configuração, partida e monitoração da saúde da planta são de extrema importância para garantir a disponibilidade da mesma. Gerenciar estes ativos é um assunto cada vez mais em foco dentro de novas instalações e também na modernização de instalações antigas. Para este fim é aplicado conhecimento na avaliação/análise dos dados capturados dos instrumentos inteligentes. Alguns protocolos foram desenvolvidos nos últimos anos visando permitir o acesso a estas informações como o protocolo HART nos anos 80 e as diferentes versões do PROFIBUS DP.

Dados da ARC estimam que foram instalados desde 1989 aproximadamente 32 milhões de instrumentos com o protocolo HART disponível em todo o mundo até o final de 2010. Este número representa 46% de toda a instrumentação inteligente instalada nas plantas do mundo inteiro. Isto caracteriza o HART como o protocolo mais popular existente para utilização de instrumentação inteligente. Esta popularidade se deve especialmente ao fato dele utilizar como meio físico os laços de corrente 4 a 20 mA presentes em muitas instalações antes mesmo do seu advento. Atualmente a maior parte dos instrumentos 4 a 20 mA possuem o protocolo HART incorporado e a maioria dos fabricantes não disponibiliza opções de instrumentos sem este protocolo.

 

Instalação tradicional e acesso remoto

Apesar dos instrumentos HART estarem presentes em inúmeras plantas em todo o mundo, estimasse que apenas 10% destes estejam conectados através de acesso remoto. Sendo assim os instrumentos são acessados com o uso de equipamentos locais chamados hand helds apenas para configurá-los e permitir que os mesmos operem corretamente. Após a posta em marcha das plantas estas informações extras deixam de ser acessadas por falta de um sistema que permita acesso remoto a estas informações.

Tradicionalmente a solução que se propunha para acesso a estas informações era o uso de multiplexadores que ligam paralelamente o sistema de controle e a estação de Gerenciamento de Ativos como pode ser observado na Figura 1.


Ligao tpica utilizando multiplexadores.

Figura 1 – Ligação típica utilizando multiplexadores.

 

Este tipo de solução tem um custo alto, pois incorpora diversos multiplexadores a instalação elétrica o que também acarreta no aumento da complexidade do próprio projeto elétrico. Além disso, os multiplexadores de mercado utilizam em sua maioria padrão de comunicação serial EIA 485, o que acarreta a necessidade de uma rede dedicada para este fim não podendo utilizar a infraestrutura de rede Ethernet disponível na planta, em resumo deve-se disponibilizar uma rede dedicada desde o campo até a sala de controle para se possuir o acesso remoto aos instrumentos HART através de multiplexadores, tornando assim, na maioria dos casos, inviável a utilização dos benefícios disponibilizados pela utilização de HART nestes instrumentos.

 

Solução Altus

Na solução adotada pela Altus para o Gerenciamento de Ativos os instrumentos com suporte ao protocolo HART estão conectados nas remotas PROFIBUS assim como na solução tradicional. Contudo, nesta solução não existe a necessidade de adicionar hardware extra para acesso aos dados do instrumento inteligente. A própria remota PROFIBUS é capaz de receber os dados HART encapsulados dentro das mensagens PROFIBUS e encaminhar os mesmos aos instrumentos. Estas remotas utilizam Cabeças de Rede PO5064 ou PO5065 e módulos com suporte a HART PO1114 e PO2134. Esta mesma topologia também permite que o controle continue sendo executado através de um par de controladores operando com redundância de half-cluster.


Soluo Altus para Gesto de Ativos.

Figura 2 – Solução Altus para Gestão de Ativos.

Nestes casos a informação dos ativos é acessada através de Scanners DPV1, AL-2434, também conectados a rede PROFIBUS, este é o único hardware a ser adicionado a uma rede PROFIBUS. Desta forma precisa-se de um único equipamento deste tipo por rede PROFIBUS ou um par deles no caso de redundância de rede. A utilização do HART onPROFIBUS não interfere no determinismo da rede.

Esta solução permite que seja utilizado qualquer software de configuração e/ou gerenciamento de ativo, independente da tecnologia empregada. Isso inclui ferramentas de mercado como o AMS da Emerson e o PRM da Yokogawa.

Nesta arquitetura proposta, não é necessário nenhuma instalação adicional em campo ou um projeto elétrico diferenciado para utilização dos benefícios do protocolo HART. A única rede e instalação necessárias é a rede PROFIBUS, amplamente conhecida e utilizada nas indústrias de processos, com ou sem link ótico.

 

Descrição dos elementos utilizados

A seguir a lista dos equipamentos desenvolvidos pela Altus que são necessários na infraestrutura de Gerenciamento de Ativos:

 

  • PO5064 – Cabeça de campo PROFIBUS DPV1
    Cabeça remota PROFIBUS simples com suporte a extensão DPV1 proposta pela norma PROFIBUS. Este suporte é necessário para receber as mensagens acíclicas enviadas pelos mestres Classe I e Classe II. Nestas mensagens estão encapsulados os dados HART. A cabeça é capaz de reconhecer as mensagens e repassá-las para os módulos com suporte ao protocolo HART.
     
  • PO5065 – Cabeça de campo redundante PROFIBUS DPV1 
    Cabeça remota PROFIBUS redundante com suporte a extensão DPV1 proposta pela norma PROFIBUS. Este suporte é necessário para receber as mensagens acíclicas enviadas pelos mestres Classe I e Classe II. Nestas mensagens estão encapsulados os dados HART. A cabeça é capaz de reconhecer as mensagens e repassá-las para os módulos com suporte ao protocolo HART. Este modelo de cabeça deve ser utilizado no caso de arquitetura com redundância de rede PROFIBUS.
     
  • PO1114 – Módulo 8 AI corrente com suporte a HART 
    Módulo com 8 pontos de entrada de corrente configuráveis para suportar protocolo HART. Em cada canal pode ser conectado um sensor HART como transmissores de temperatura e pressão, detectores de chamas ou outros tipos de sensores. Este módulo recebe os dados HART enviados para o instrumento e modula o sinal HART no canal de 4 a 20 mA configurado, permitindo assim que o instrumento receba estas informações.
     
  • PO2134 – Módulo 4 AO corrente com suporte a HART 
    Módulo com 4 pontos de saída de corrente configuráveis para suportar protocolo HART. Em cada canal pode ser conectado um atuador HART como posicionadores, válvulas ou outros tipos de atuadores. Este módulo recebe os dados HART enviados para o instrumento e modula o sinal HART no canal de 4 a 20 mA configurado, permitindo assim que o instrumento receba estas informações.
     
  • AL-2434 – Scanner DPV1 para Gestão de Ativos 
    Este módulo é um Mestre PROFIBUS Classe II que é conectado à rede PROFIBUS onde estão instaladas as remotas. Ele é responsável por conectar a rede à ferramenta de configuração e/ou gerenciamento de ativos ligada à rede Ethernet da planta. A instalação deste equipamento não implica em perda do determinismo da rede PROFIBUS, pois o mesmo utiliza mensagens acíclicas previstas na norma PROFIBUS para possibilitar esta ligação. Desta forma os I/O digitais e analógicos utilizadas para o controle continuam sendo trocados através de mensagens cíclicas sem o comprometimento de desempenho na varredura.

 

Atualização de hardware

Para remotas PROFIBUS já instaladas e sem HART é possível fazer a atualização do hardware utilizado de forma que os pontos conectados a instrumentos HART possam ser conectados a estações de gerenciamento de ativos. O hardware utilizado para acesso a pontos discretos não precisam de modificação. Abaixo seguem as mudanças necessárias no caso de remotas simples e redundantes:

  • Atualização de redes PROFIBUS simples
    As cabeças PO5063 e PO5063V1 devem ser substituídas por uma cabeça do modelo PO5064 sempre que for desejado agregar suporte a HART em remotas simples existentes. As bases utilizadas podem ser mantidas assim como todo o cabeamento PROFIBUS e de alimentação. No caso de remotas onde não existem dispositivos HART conectados não se faz necessária a atualização do hardware.

    Todos os módulos de I/O analógicos onde existam instrumentos HART conectados devem ser substituídos. Os módulos PO1112, PO1113, PO1212 e PO1213 que se enquadrem nesta categoria devem ser substituídos por um módulo PO1114. Os módulos conectados a sensores de tensão, temperatura ou outros tipos de sensores que não 4 a 20 mA com HART não devem ser substituídos. Os módulos PO2132 onde existam instrumentos HART conectados devem ser substituídos por um módulo PO2134. Em todos os casos de troca de módulo de I/O analógico não é necessária a troca de bases ou alteração na fiação de campo utilizada. A exceção se faz no caso de utilização de bases com fusível. As bases PO6101 e PO6104 que possuem fusível quando presentes na instalação devem ser substituídas por uma base PO6001 ou PO6004. Isso se deve ao fato da impedância que é adicionada pelo fusível que poder saturar o sinal de corrente prejudicando o funcionamento da variável analógica.

    Após a substituição física dos módulos se faz necessário alterar a configuração da rede e dos módulos das remotas. As substituições feitas devem ser replicadas dentro da ferramenta configuração da rede ProfiTool ou equivalente substituindo as remotas e o módulos alterados no projeto. Importante salientar que os canais nos quais estiverem conectados os instrumentos HART devem estar configurados como Corrente 4 a 20 mA com HART.

    Para conectar as remotas e por consequência os instrumentos a estação de Gerenciamento de Ativos é necessário adicionar um AL-2434 a rede PROFIBUS. Para isso deve ser alterada a instalação física do PROFIBUS caso não exista uma previsão para um nó adicional na rede. Se o nó adicional for colocado no meio da rede e não em uma das suas extremidades o conector utilizado deve ser o AL-2601. Já no caso do nó ser adicionado em uma das extremidades a terminação existente deve ser retirada da extremidade e o conector a ser utilizado no AL-2434 é um AL-2602.

    Outro ponto importante na inclusão do AL-2434 é que este utiliza um endereço na rede PROFIBUS. Ele não precisa ser incluído na configuração da rede na ferramenta de configuração da rede. Porém é necessário que exista um endereço de rede disponível para adicionar o Scanner na Rede. O endereço é configurado na ferramenta na Estação de Gerenciamento de Ativos, porém é importante caso não exista disponibilidade de endereços alterar o parâmetro HSA (Highest Station Address) permitindo que mais nós possam participar da rede. As configurações de rede PROFIBUS do AL-2434 devem ser as mesmas que do mestre Classe I utilizado. Mestres Classe I no caso de mestres Altus são os módulos NX5001 da Série Nexto, AL-3406 da Série AL e PO4053 da Série Ponto.

    Conectado a rede PROFIBUS o AL-2434 pode ser conectado a rede Ethernet da planta onde está conectada a estação de Gerenciamento de Ativos.

     
  • tualização de redes PROFIBUS redundantes

    As cabeças PO5063V4 e PO5063V5 devem ser substituídas por uma cabeça do modelo PO5065 sempre que for desejado agregar suporte a HART em remotas simples existentes. As bases utilizadas podem ser mantidas assim como todo o cabeamento PROFIBUS e de alimentação. Os procedimentos para alteração dos módulos analógicos e configuração são os mesmos já apresentados para redes simples. No caso de remotas onde não existem dispositivos HART conectados não se faz necessária a atualização do hardware.

    Como existem duas redes PROFIBUS operando em redundância são necessários 2 Scanners DPV1 AL-2434. Cada um deles é conectado a uma rede PROFIBUS e desta forma o acesso as duas redes é permitido para a Estação de Gerenciamento de Ativos. As mesmas configurações de rede devem ser configuradas em ambas as redes.

 

Conclusão

Este documento apresentou a arquitetura para acesso das Estações de Gerenciamento de Ativos a informações de instrumentos HART conectados a remotas PROFIBUS. Esta arquitetura tem como ponto forte a não necessidade de adicionar hardware adicional por ponto analógico. Os dados são acessados pelo Scanner DPV1 AL-2434, sendo necessário apenas um equipamento destes por rede PROFIBUS.

Foi apresentado como atualizar uma arquitetura que já utiliza remotas PROFIBUS da Série Ponto da Altus, permitindo que instalações atuais possam acessar os dados dos instrumentos HART conectados a estas remotas. Para as novas arquiteturas podem ser projetadas visando acesso remoto a estas informações, mesmo que num primeiro momento estas não sejam utilizadas. 
A arquitetura também se caracteriza por ser uma solução que pode operar utilizando quaisquer ferramentas de configuração e/ou gerenciamento de ativos desde que operem utilizando os padrões de mercado para integração de redes de campo. Além disso, a arquitetura de rede é uma arquitetura aberta o que permite a sua interoperabilidade com mestre e escravos de outros fabricantes assim como coexistência de remotas com e sem suporte a DPV1 e/ou HART.

Como grande ponto forte da arquitetura proposta e utilizada pela Altus é a simplicidade de instalação e manutenção da rede, sem necessidade de novos cabos, novas instalações elétricas, novos diagramas de fiação, novos eletrodutos, etc. A utilização do HART on PROFIBUS, que é a proposição da Altus, se baseia na utilização de uma única rede e cabo para redes simples ou então duas redes e dois cabos para redes redundantes e através destas redes trafegar e controlar todos I/Os de processo e informações dos instrumentos inteligente através do protocolo HART. Isso beneficia novos projetos pela facilidade no projeto e instalação assim como em projetos antigos que já possuam instrumentos HART e queiram começar a utilizar as informações disponibilizadas por estes ou até mesmo projetos sem instrumentos HART que desejam incluir os mesmos nas plantas, bastando assim a troca de alguns módulos de I/O e cabeça PROFIBUS, inclusão do Scanner DPV1 e aquisição do software de Configuração e/ou Gerenciamento de Ativos, sem alteração no controle da planta.



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