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JORNALISTA RESPONSÁVEL

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(MTb 11.0065 / MS 5936)

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ARTIGO TÉCNICO

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 configura√ß√£o de outros dados al√©m dos dados usados na malha de controle da planta. Por exemplo, um transmissor de press√£o inteligente mede sua temperatura interna e externa, e permite diagnosticar problemas de funcionamento do mesmo quando percebesse alguma anomalia nesta informa√ß√£o monitorada ao longo do tempo. Nos instrumentos inteligentes tamb√©m √© poss√≠vel acessar informa√ß√Ķes de configura√ß√£o sem remover o instrumento do campo. Informa√ß√Ķes como unidade de medida, limites de m√°ximo e m√≠nimo da medi√ß√£o e configura√ß√£o de alarmes ficam armazenados internamente ao instrumento e pode ser acessadas e at√© mesmo alteradas remotamente.

A instrumenta√ß√£o √© parte do ativo de uma planta. As opera√ß√Ķes de configura√ß√£o, partida e monitora√ß√£o da sa√ļde da planta s√£o de extrema import√Ęncia para garantir a disponibilidade da mesma. Gerenciar estes ativos √© um assunto cada vez mais em foco dentro de novas instala√ß√Ķes e tamb√©m na moderniza√ß√£o de instala√ß√Ķes antigas. Para este fim √© aplicado conhecimento na avalia√ß√£o/an√°lise dos dados capturados dos instrumentos inteligentes. Alguns protocolos foram desenvolvidos nos √ļltimos anos visando permitir o acesso a estas informa√ß√Ķes como o protocolo HART nos anos 80 e as diferentes vers√Ķes do PROFIBUS DP.

Dados da ARC estimam que foram instalados desde 1989 aproximadamente 32 milh√Ķes de instrumentos com o protocolo HART dispon√≠vel em todo o mundo at√© o final de 2010. Este n√ļmero representa 46% de toda a instrumenta√ß√£o inteligente instalada nas plantas do mundo inteiro. Isto caracteriza o HART como o protocolo mais popular existente para utiliza√ß√£o de instrumenta√ß√£o inteligente. Esta popularidade se deve especialmente ao fato dele utilizar como meio f√≠sico os la√ßos de corrente 4 a 20 mA presentes em muitas instala√ß√Ķes 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 n√£o disponibiliza op√ß√Ķes de instrumentos sem este protocolo.

 

Instalação tradicional e acesso remoto

Apesar dos instrumentos HART estarem presentes em in√ļmeras plantas em todo o mundo, estimasse que apenas 10% destes estejam conectados atrav√©s de acesso remoto. Sendo assim os instrumentos s√£o acessados com o uso de equipamentos locais chamados hand helds apenas para configur√°-los e permitir que os mesmos operem corretamente. Ap√≥s a posta em marcha das plantas estas informa√ß√Ķes extras deixam de ser acessadas por falta de um sistema que permita acesso remoto a estas informa√ß√Ķes.

Tradicionalmente a solu√ß√£o que se propunha para acesso a estas informa√ß√Ķes era o uso de multiplexadores que ligam paralelamente o sistema de controle e a esta√ß√£o de Gerenciamento de Ativos como pode ser observado na Figura 1.


Ligação típica utilizando multiplexadores.

Figura 1 ‚Äď Liga√ß√£o t√≠pica 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 solu√ß√£o adotada pela Altus para o Gerenciamento de Ativos os instrumentos com suporte ao protocolo HART est√£o conectados nas remotas PROFIBUS assim como na solu√ß√£o tradicional. Contudo, nesta solu√ß√£o n√£o existe a necessidade de adicionar hardware extra para acesso aos dados do instrumento inteligente. A pr√≥pria remota PROFIBUS √© capaz de receber os dados HART encapsulados dentro das mensagens PROFIBUS e encaminhar os mesmos aos instrumentos. Estas remotas utilizam Cabe√ßas de Rede PO5064 ou PO5065 e m√≥dulos com suporte a HART PO1114 e PO2134. Esta mesma topologia tamb√©m permite que o controle continue sendo executado atrav√©s de um par de controladores operando com redund√Ęncia de half-cluster.


Solução Altus para Gestão de Ativos.

Figura 2 ‚Äď Solu√ß√£o Altus para Gest√£o de Ativos.

Nestes casos a informa√ß√£o dos ativos √© acessada atrav√©s de Scanners DPV1, AL-2434, tamb√©m conectados a rede PROFIBUS, este √© o √ļnico hardware a ser adicionado a uma rede PROFIBUS. Desta forma precisa-se de um √ļnico equipamento deste tipo por rede PROFIBUS ou um par deles no caso de redund√Ęncia de rede. A utiliza√ß√£o do HART on PROFIBUS n√£o 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, n√£o √© necess√°rio nenhuma instala√ß√£o adicional em campo ou um projeto el√©trico diferenciado para utiliza√ß√£o dos benef√≠cios do protocolo HART. A √ļnica rede e instala√ß√£o necess√°rias √© a rede PROFIBUS, amplamente conhecida e utilizada nas ind√ļstrias de processos, com ou sem link √≥tico.

 

Descrição dos elementos utilizados

A seguir a lista dos equipamentos desenvolvidos pela Altus que s√£o necess√°rios na infraestrutura de Gerenciamento de Ativos:

 

  • PO5064 ‚Äď Cabe√ßa 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 ‚Äď Cabe√ßa de campo redundante PROFIBUS DPV1
    Cabe√ßa remota PROFIBUS redundante com suporte a extens√£o DPV1 proposta pela norma PROFIBUS. Este suporte √© necess√°rio para receber as mensagens ac√≠clicas enviadas pelos mestres Classe I e Classe II. Nestas mensagens est√£o encapsulados os dados HART. A cabe√ßa √© capaz de reconhecer as mensagens e repass√°-las para os m√≥dulos com suporte ao protocolo HART. Este modelo de cabe√ßa deve ser utilizado no caso de arquitetura com redund√Ęncia de rede PROFIBUS.

  • PO1114 ‚Äď M√≥dulo 8 AI corrente com suporte a HART
    M√≥dulo com 8 pontos de entrada de corrente configur√°veis para suportar protocolo HART. Em cada canal pode ser conectado um sensor HART como transmissores de temperatura e press√£o, detectores de chamas ou outros tipos de sensores. Este m√≥dulo 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 informa√ß√Ķes.

  • PO2134 ‚Äď M√≥dulo 4 AO corrente com suporte a HART
    M√≥dulo com 4 pontos de sa√≠da de corrente configur√°veis para suportar protocolo HART. Em cada canal pode ser conectado um atuador HART como posicionadores, v√°lvulas ou outros tipos de atuadores. Este m√≥dulo 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 informa√ß√Ķes.

  • AL-2434 ‚Äď Scanner DPV1 para Gest√£o 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 j√° instaladas e sem HART √© poss√≠vel fazer a atualiza√ß√£o do hardware utilizado de forma que os pontos conectados a instrumentos HART possam ser conectados a esta√ß√Ķes de gerenciamento de ativos. O hardware utilizado para acesso a pontos discretos n√£o precisam de modifica√ß√£o. Abaixo seguem as mudan√ßas necess√°rias no caso de remotas simples e redundantes:

  • Atualiza√ß√£o 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 m√≥dulos de I/O anal√≥gicos onde existam instrumentos HART conectados devem ser substitu√≠dos. Os m√≥dulos PO1112, PO1113, PO1212 e PO1213 que se enquadrem nesta categoria devem ser substitu√≠dos por um m√≥dulo PO1114. Os m√≥dulos conectados a sensores de tens√£o, temperatura ou outros tipos de sensores que n√£o 4 a 20 mA com HART n√£o devem ser substitu√≠dos. Os m√≥dulos PO2132 onde existam instrumentos HART conectados devem ser substitu√≠dos por um m√≥dulo PO2134. Em todos os casos de troca de m√≥dulo de I/O anal√≥gico n√£o √© necess√°ria a troca de bases ou altera√ß√£o na fia√ß√£o de campo utilizada. A exce√ß√£o se faz no caso de utiliza√ß√£o de bases com fus√≠vel. As bases PO6101 e PO6104 que possuem fus√≠vel quando presentes na instala√ß√£o devem ser substitu√≠das por uma base PO6001 ou PO6004. Isso se deve ao fato da imped√Ęncia que √© adicionada pelo fus√≠vel que poder saturar o sinal de corrente prejudicando o funcionamento da vari√°vel anal√≥gica.

    Ap√≥s a substitui√ß√£o f√≠sica dos m√≥dulos se faz necess√°rio alterar a configura√ß√£o da rede e dos m√≥dulos das remotas. As substitui√ß√Ķes feitas devem ser replicadas dentro da ferramenta configura√ß√£o da rede ProfiTool ou equivalente substituindo as remotas e o m√≥dulos 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 inclus√£o do AL-2434 √© que este utiliza um endere√ßo na rede PROFIBUS. Ele n√£o precisa ser inclu√≠do na configura√ß√£o da rede na ferramenta de configura√ß√£o da rede. Por√©m √© necess√°rio que exista um endere√ßo de rede dispon√≠vel para adicionar o Scanner na Rede. O endere√ßo √© configurado na ferramenta na Esta√ß√£o de Gerenciamento de Ativos, por√©m √© importante caso n√£o exista disponibilidade de endere√ßos alterar o par√Ęmetro HSA (Highest Station Address) permitindo que mais n√≥s possam participar da rede. As configura√ß√Ķes de rede PROFIBUS do AL-2434 devem ser as mesmas que do mestre Classe I utilizado. Mestres Classe I no caso de mestres Altus s√£o os m√≥dulos NX5001 da S√©rie Nexto, AL-3406 da S√©rie AL e PO4053 da S√©rie 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.


  • tualiza√ß√£o 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 redund√Ęncia s√£o necess√°rios 2 Scanners DPV1 AL-2434. Cada um deles √© conectado a uma rede PROFIBUS e desta forma o acesso as duas redes √© permitido para a Esta√ß√£o de Gerenciamento de Ativos. As mesmas configura√ß√Ķes de rede devem ser configuradas em ambas as redes.

 

Conclus√£o

Este documento apresentou a arquitetura para acesso das Esta√ß√Ķes de Gerenciamento de Ativos a informa√ß√Ķes de instrumentos HART conectados a remotas PROFIBUS. Esta arquitetura tem como ponto forte a n√£o necessidade de adicionar hardware adicional por ponto anal√≥gico. Os dados s√£o acessados pelo Scanner DPV1 AL-2434, sendo necess√°rio apenas um equipamento destes por rede PROFIBUS.

Foi apresentado como atualizar uma arquitetura que j√° utiliza remotas PROFIBUS da S√©rie Ponto da Altus, permitindo que instala√ß√Ķes atuais possam acessar os dados dos instrumentos HART conectados a estas remotas. Para as novas arquiteturas podem ser projetadas visando acesso remoto a estas informa√ß√Ķes, mesmo que num primeiro momento estas n√£o sejam utilizadas.
A arquitetura tamb√©m se caracteriza por ser uma solu√ß√£o que pode operar utilizando quaisquer ferramentas de configura√ß√£o e/ou gerenciamento de ativos desde que operem utilizando os padr√Ķes de mercado para integra√ß√£o de redes de campo. Al√©m disso, a arquitetura de rede √© uma arquitetura aberta o que permite a sua interoperabilidade com mestre e escravos de outros fabricantes assim como coexist√™ncia de remotas com e sem suporte a DPV1 e/ou HART.

Como grande ponto forte da arquitetura proposta e utilizada pela Altus √© a simplicidade de instala√ß√£o e manuten√ß√£o da rede, sem necessidade de novos cabos, novas instala√ß√Ķes el√©tricas, novos diagramas de fia√ß√£o, novos eletrodutos, etc. A utiliza√ß√£o do HART on PROFIBUS, que √© a proposi√ß√£o da Altus, se baseia na utiliza√ß√£o de uma √ļnica rede e cabo para redes simples ou ent√£o duas redes e dois cabos para redes redundantes e atrav√©s destas redes trafegar e controlar todos I/Os de processo e informa√ß√Ķes dos instrumentos inteligente atrav√©s do protocolo HART. Isso beneficia novos projetos pela facilidade no projeto e instala√ß√£o assim como em projetos antigos que j√° possuam instrumentos HART e queiram come√ßar a utilizar as informa√ß√Ķes disponibilizadas por estes ou at√© mesmo projetos sem instrumentos HART que desejam incluir os mesmos nas plantas, bastando assim a troca de alguns m√≥dulos de I/O e cabe√ßa PROFIBUS, inclus√£o do Scanner DPV1 e aquisi√ß√£o do software de Configura√ß√£o e/ou Gerenciamento de Ativos, sem altera√ß√£o no controle da planta.


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