Arquiteturas de gerenciamento de ativos PA

ARQUITETURAS DE GERENCIAMENTO DE ATIVOS PARA O SETOR SUCRO
ALCOOLEIRO UTILIZANDO INSTRUMENTAÇÃO INTELIGENTE HART
Autor: Rafael Lima
Altus Sistemas de Automação S.A.
Introdução
A utilização de instrumentos inteligentes
na automação de processos no setor Sucro
Alcooleiro 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.
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 ocorre 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
máximo e mínimo da medição e configuração de
alarmes ficam armazenados internamente no
instrumento e podem 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. Uma maneira simplificada de
descrever os benefícios de um programa de
Gerenciamento de Ativos é feita por Mueller e
Schulz (2001) “verificando a disponibilidade dos
equipamentos para suportar uma produtividade
ótima, considerando qualidade, desempenho e
custo”.
Para este fim é aplicado conhecimento na
avaliação/análise dos dados capturados dos
instrumentos inteligentes. Dados de Silva, Belloti
e Chaya (2011) mostram exemplos dos
benefícios
financeiros
deste
tipo
de
monitoramento que permitiu, por exemplo,
monitorar uma bomba durante um período crítico
de produção evitando a parada do processo ou a
quebra do equipamento envolvido.
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 (2011) estimam que foram
instalados desde 1989 aproximadamente 32
milhões de instrumentos com o protocolo HART
disponível em todo o mundo. Este número
representa 44% de toda a instrumentação
inteligente instalada em plantas de todos os
setores industriais. 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. O objetivo deste trabalho é
apresentar as arquiteturas de automação que
permitem acessar remotamente os dados da
instrumentação inteligente para o sucesso de um
programa de gerenciamento de ativos no setor
Sucro Alcooleiro.
Protocolo HART
O protocolo HART (Highway Addressable
Remote Transducer) é um protocolo aberto que
foi desenvolvido nos anos 80 pela empresa
Rosemount com o objetivo de viabilizar a
manutenção preditiva e parametrização remota
de dispositivos analógicos de processo. Isso é
possível através do acesso a outras informações
dos instrumentos de campo, além da informação
da variável principal disponibilizada para o
sistema de automação. Atualmente o protocolo é
definido
e
mantido
pela
HCF
(HART
Communication Foundation). Mesmo sendo
definido para diferentes meios físicos, a vantagem
para as plantas industriais se dá na utilização no
meio físico de 4 a 20 mA.
Neste caso a comunicação é realizada
pela modulação em frequência de um sinal e a
sobreposição deste com o sinal de corrente de
um laço de 4 a 20 mA. Desta forma foi possível
utilizar cabeamento existente no campo e instalar
os novos instrumentos aproveitando a base
instalada. Os sinais de comunicação e da variável
primária trabalham em diferentes bandas de
frequência o que permite que estes sinais não se
confundam. Sendo assim os sinais digitais de
nível lógico “1' são representados por uma
frequência de 2200 Hz e os de nível lógico “0” são
representados por uma frequência de 1200 Hz. Já
a variável primária trabalha dentro de uma banda
que começa em 0 Hz e tem como frequência de
corte 25 Hz.
As normas que definem o protocolo
HART preveem três classes principais de
comandos: comandos universais que todos os
dispositivos devem ter implementado; comandos
comuns, que apesar de não serem obrigatórios, a
maioria dos dispositivos implementa; e os
comandos específicos, sendo que no caso de
comandos específicos existem três faixas
reservadas para o fabricante, para um
instrumento específico e uma família de
instrumentos.
Outra característica importante definida
pelo protocolo HART é a utilização de um mestre
secundário. Este é um segundo mestre que pode
acessar também as informações disponibilizadas
pelos sensores. Em geral este mestre secundário
é um handheld conectado diretamente no
instrumento
e
utilizado
para
fazer
parametrizações ou coletar dados diretamente no
campo.
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, os handhelds,
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.
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 infra-estrutura de rede
Ethernet disponível na planta. Em resumo, devese 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.
Pensando Além da Instalação Tradicional
Alguns conceitos e tecnologias devem ser
apresentados antes de se pensar em uma
arquitetura de rede que permita acessar os dados
da instrumentação HART em uma arquitetura de
automação. Estas tecnologias assim como a
arquitetura proposta são apresentadas nas
seções a seguir.
PROFIBUS DPV1
O PROFIBUS DP é um padrão de rede
de campo que foi definido em 1993 como uma
variante simples e com maior desempenho do
que o PROFIBUS FMS. É utilizado amplamente
no mercado de automação como rede de forma a
distribuir no campo o I/O (Input/Output, em
português Entradas/Saídas) de forma que o
cabeamento para os sensores e atuadores seja
menor. Dessa forma a rede pode acessar
remotas com cartões de entradas e saídas ou
dispositivos (sensores e atuadores) inteligentes
conectados diretamente a rede. O PROFIBUS DP
é uma rede determinística.
A extensão PROFIBUS DPV1 contêm
melhorias
orientadas
aos
processos
de
automação, em particular comunicações acíclicas
de dados para parametrização, operação,
visualização e controle de interrupção de
dispositivos inteligentes de campo, em conjunto
com as comunicações cíclicas do usuário. Ainda
existe a extensão PROFIBUS DPV2 que
incorpora outras características a rede. As
extensões podem ser cumulativas, ou seja,
quando falamos que um determinado dispositivo
é DPV1 ele pode ter características do DPV0
além das do DPV1.
A transmissão acíclica de dados é
executada em paralelo com a comunicação
cíclica, mas com prioridade mais baixa. Isso
permite o acesso online às estações, utilizando
ferramentas de engenharia. O mestre classe 1,
que principalmente controla as variáveis de
processo, tem o token e executa a troca de dados
cíclica com cada escravo e passa o token para o
mestre classe 2. Esse mestre estabelece uma
comunicação acíclica com qualquer escravo,
troca dados e retorna o token para o mestre
classe 1. Mestres classe 1 também têm
capacidade de trocar dados em comunicações
acíclicas com os escravos.
Tecnologias para Integração de Redes
Os sistemas de gerenciamento de ativos
têm sido desenvolvidos e são capazes de utilizar,
basicamente, duas tecnologias para descrever os
ativos:

usado pela
Technology);
DTM (Device Type Manager),
tecnologia FDT (Field Device

EDDL
Description Language).
(Electronic
Device
Estas duas tecnologias trabalham com os
mesmos conceitos. Nelas todos os dispositivos
conectados a uma rede ou topologia com várias
redes deve possuir um arquivo que descreve o
funcionamento deste. Este arquivo, ou driver,
pode ser um texto estruturado em formato
conhecido como é o caso do DD na tecnologia
EDDL, ou pode ser uma extensão de programa
(DLL) como no caso do DTM na tecnologia FDT.
Nos dois casos o arquivo descreve os
dados disponíveis, ou comandos suportados, por
um dispositivo e a maneira como estes se
conectam aos outros elementos da topologia.
Hoje no mercado existem softwares de
gerenciamento de ativos que trabalham com as
duas tecnologias. Cabe aos fabricantes dos
dispositivos disponibilizarem os descritores para
que seus equipamentos possam ser conectados
as redes.
Arquitetura para Gerenciamento de Ativos
Nos sistemas de automação, os módulos
que atuam sobre os instrumentos a serem
controlados estão localizados em bastidores
próximos a planta controlada. Os bastidores que
também são conhecidos como Remotas,
comunicam-se com o sistema de controle através
de protocolos de rede de campo, que permitem
uma alta taxa de transferência e possibilitam que
outros componentes possam solicitar informações
de diversas Remotas eventualmente presentes na
rede. Adicionalmente, permitem a programação e
configuração remota do sistema de automação.
Para o gerenciamento de ativos é
necessário instalar em um computador o software
de gerenciamento de ativos. Mas é necessário
que esses computadores possam acessar os
instrumentos a serem gerenciados. Isso pode ser
feito através da conexão, direta, com os
instrumentos, através de uma rede de campo ou
pelo uso de gateways de interconexão entre
diferentes redes.
Tendo em vista as possibilidades de
interconexão entre o computador, controlador e
os instrumentos a serem gerenciados, Netto
(2009) propõem uma arquitetura utilizando os
elementos
descritos
anteriormente.
Nesta
arquitetura uma cabeça de campo com suporte a
extensão DPV1 possui módulos analógicos de
entradas e saídas que exercem o papel de mestre
HART. Estes módulos são capazes de
comunicarem-se com os instrumentos HART,
através de conexões HART sobre 4 a 20 mA. O
que torna possível realizar a comunicação com
instrumentos HART é o fato das cabeças de
campo possuir a extensão DPV1 do protocolo
PROFIBUS, onde as mensagens HART são
encapsuladas. Conforme ressaltado por Netto
(2009), a conversão de protocolos (PROFIBUS
em HART) é feita uma parte pela cabeça e parte
pelos módulos analógicos.
extensão PROFIBUS DPV1. A Figura 2 mostra
um exemplo desta arquitetura proposta.
O formato das mensagens PROFIBUS
que transportam quadros HART (Hart over
Profibus) é de forma praticamente transparente,
de maneira que a cabeça possa repassar o
quadro para os módulos analógicos e esses, por
sua vez, aplicar aos instrumentos HART.
Na arquitetura proposta o computador de
controle está conectado a uma rede Ethernet, o
que requer um gateway de adaptação com o
PROFIBUS. O gateway neste caso tem o
comportamento de um mestre PROFIBUS classe
2. Um mestre classe 2 realiza somente
comunicações acíclicas na rede PROFIBUS,
sendo sua a responsabilidade de extrair as
mensagens PROFIBUS dos quadros Ethernet e
repassá-las a Cabeça de campo.
Figura 2 – Ligação Utilizando Remotas
PROFIBUS DPV1
Novas Tecnologias: WirelessHART
O computador onde se executa o
programa de gerenciamento de ativos pode ser
identificado como Cliente HART. A operação do
sistema de gerenciamento de ativos é baseada
em DTM. A razão disso não é nenhuma limitação
do hardware ou software, mas uma questão de
configuração
dos
próprios
sistemas
de
gerenciamento de ativos. A arquitetura também
pode estar baseada na Tecnologia EDDL e
nenhuma alteração de hardware é necessária
para isso, basta possuir os DDs para substituir os
DTMs.
Para a questão da configuração, é
necessário entender que os sistemas de
gerenciamento de ativos devem ser configurados
para obter as informações dos dispositivos a ele
associados. Para isso, é necessário que tenham
informações referentes ao sistema que usarão
para chegar às informações presentes nos
instrumentos. Por exemplo, como o programa de
gerenciamento de ativos deve encapsular o
quadro HART para envio aos instrumentos, se
houver gateway, deve-se usar HART sobre
PROFIBUS sobre Ethernet; se não houver (se a
conexão for direta à rede PROFIBUS), pode-se
usar HART sobre PROFIBUS.
A arquitetura trabalha com padrões de
comunicação abertos, o que possibilita facilmente
o interfaceamento com outros dispositivos que
utilizem estes mesmos padrões, como por
exemplo, um instrumento ligado diretamente à
rede
PROFIBUS
e
que
necessite
de
configurações disponíveis somente no nível de
No ano de 2007 a HCF propôs uma nova
versão da norma HART. Usando os comandos da
versão anterior e adicionando os comandos
necessários a implementação e gerenciamento
da camada de rede, conforme modelo de
camadas OSI, o WirelessHART permite a
utilização de rede mesh com caminhos
redundantes. Foi adicionada na norma a
compatibilidade com a camada física dos rádios
baseados no padrão IEEE 802.15.4.
Conforme
Bonifácio
(2009),
o
WirelessHART é um padrão de comunicação sem
fio robusto para processos de medição, controle e
gerenciamento de ativos. Isso se deve
principalmente ao fato de utilizar as camadas de
comunicação maduras do protocolo HART sobre
outros meios físicos. Além disso, somasse o fato
de já existirem métodos e ferramentas, como as
baseadas nas tecnologias para integração de
redes, que contribuem para a proliferação do
padrão.
A estrutura básica proposta pela HCF é
apresentada na Figura 3. A rede é composta
basicamente por instrumentos WirelessHART e
um Gerente da Rede (Network Manager). É
possível perceber que na figura apresentada além
do papel do Gerente da Rede também aparecem
os papéis do Gateway, do Security Manager e do
Access Point. Em geral no mercado os fabricante
tem ofertado um equipamento que muitas vezes é
chamado apenas de Gateway WirelessHART,
mas que porém exerce os papéis dos outro três
elementos todos encapsulados dentro de um
único invólucro.
Figura
WirelessHART
3
–
Arquitetura
Usando a arquitetura proposta por Netto
(2009), também explorada por Lima (2009), é
possível acessar os dados dos instrumentos
HART disponível na maioria das plantas
industriais. Estes instrumentos estão conectados
em módulos de entradas e saídas de cabeças
remotas de uma rede de campo PROFIBUS. O
controle do processo é realizado monitorando os
dados que são varridos ciclicamente. Para o
gerenciamento de ativos são acessados outros
dados
disponíveis
no
instrumento
via
comunicações acíclicas PROFIBUS DPV1. Esta
arquitetura é representada na Figura 2 e com ela
é possível que um sistema de gerenciamento de
ativos monitore ativos que comuniquem com
HART sobre 4 a 20 mA ou ainda diretamente no
PROFIBUS.
Básica
No rádio utilizado no WirelessHART é
usado o padrão IEEE 802.15.4, operando numa
freqüência de 2.4GHz e com uma taxa de
transferência de 250Kps, segundo Bonifácio
(2009). É utilizada a tecnologia DSSS (Espectro
Espalhado de Sequência Direta) que combinada
com a FHSS (Salto em Canais de Freqüência)
que proporcionam juntas ganho de codificação e
rejeição de interferência respectivamente. Além
disso, também é utilizada a tecnologia TDMA
(acesso múltiplo por divisão de tempo) que provê
a sincronização da rede com todos os dispositivos
que a compõe.
No que tange a segurança da informação
na rede o WirelessHART é bastante robusto. São
permitidas na rede apenas dispositivos com a
mesma chave de rede (Network Key) e os dados
são criptografados com chaves de 128 bits. Além
disso, o protocolo também prevê que as chaves
podem sofrer atualização periódica para os casos
que a mesma é descoberta.
Cabe
salientar
ainda
que
o
WirelessHART pode coexistir com outras redes,
comerciais ou não que também operam na faixa
dos 2.4GHz, como por exemplo o Wi-Fi. Para
maximizar a utilização da rede para ambos
serviços, o ideal e configurar os canais a serem
utilizados por cada um deles.
Pelas razões citadas anteriormente
muitos fabricantes, como os citados por Bonifácio
(2009), vem adotando o WirelessHART como o
padrão para comunicação de redes de sensores
sem fio.
Figura 4 – Arquitetura Básica WirelessHART
Porém a figura 4 apresenta também a
conexão dos sistemas de gerenciamento de
ativos, monitoração e controle aos instrumentos
de
campo
que
possuem
tecnologia
WirelessHART. Esta conexão é realizada através
de um Gerente da Rede responsável por se
conectar a estrutura de rede de cabo fazendo a
ligação dos elementos conectados nesta a
instrumentação e outros tipos de elementos sem
fio existentes em campo.
As conexões com os gateways pode ser
feitas através de conexão Ethernet, serial ou
diretamente em barramento de campo como
PROFIBUS. Uma das opções mais usuais de
mercado é o mapeamento dos dados da rede
WirelessHART nos protocolos Modbus TCP e
Modbus RTU. Encapsulando pedidos em cima
destes protocolos é possível comunicar as
ferramentas de gerenciamento de ativos a estes
instrumentos. Também é possível conectar o
sistema de controle, porém é importante salientar
que a velocidade de comunicação do meio físico
estabelecido
pela
norma
não
permite
comunicação com a velocidade desejada para
executar controle através destas variáveis. O
tempo de atualização é bastante dependente do
número de equipamentos em campo, sendo
recomendado que as aplicações se restrinjam a
monitoração. Esta arquitetura também pode ser
modificada de maneira que o Gerente da Rede
seja conectado diretamente na interface Ethernet
do controlador responsável pelo controle de
processo.
A arquitetura mostra também a conexão
com remotas PROFIBUS onde são usados
sensores 4 a 20mA com e sem HART. Os que já
estão conectados diretamente a cartões com
suporte ao protocolo HART sobre meio físico de 4
a 20 mA não sofrem quaisquer alterações. Já
aqueles instrumentos que não estão conectados
neste tipo de remota podem se conectar na
arquitetura de Gerenciamento de Ativos através
de um adaptador que transforma o instrumento
em um equipamento WirelessHART sem interferir
na leitura da variável feita pelo controlador
responsável pelo controle de processo.
Com isso é possível monitorar variáveis
de difícil acesso como tanques em parques com
longas distâncias envolvidas, em petroquímica, e
medição em áreas de difícil acesso como no caso
da indústria siderúrgica ou na extração de óleo e
gás.
Conclusão
Este artigo apresenta o cenário dos
programas de Gerenciamento de Ativos e as
tecnologias
associadas
a
instrumentação
inteligente utilizando protocolo HART. Os
benéficos destes programas a é claro, mas é
necessário frisar a importância de se preocupar
com a arquitetura de automação que permita
acesso aos dados necessários para tornar estes
programas realidade.
É possível concluir que existem diversas
maneiras de permitir este acesso remoto, seja ele
através de arquiteturas mais tradicionais com uso
de multiplexadores ou usando encapsulamento
de protocolos como nos casos do HART sobre
PROFIBUS ou do WirelessHART.
Independente da solução adotada os
projetos de novas plantas devem ser construídos
pensando em permitir este acesso remoto. Mas
mias que isso, esta não é uma tecnologia
aplicável somente a novas plantas. Ele pode e
deve ser usada para monitor a saúde dos ativos
já instalados nas plantas atuais de forma a obeter
um retorno do investimento de forma mais rápida
e com melhor confiabilidade da operação da
planta.
Referências
MULLER, Tom. SCHULZ, Thoralf. The Basic
Components of an Effective Asset
Management Program. ISA. 2001.
SILVA, A. A. BELLOTI, G. L. CHAYA, H. H.
Utilizing asset data for predictive asset
management. Revista Intech.
Novembro/Dezembro 2011.
ARC says HART is the leader in communications.
In: Automation.com. Real-time Information
for the Automation Professional. 2011.
Disponível em:
http://www.automation.com/content/independ
ent-study-shows-hart-communicationprotocol-as-global-leader
CASSIOLATO, C. – Versões do PROFIBUS DP.
www.smar.com. 2006.
BONIFÁCIO, T. G.; PANTONI, R. P.; BRANDÃO,
D. Análise Tecnológica de Redes
Industriais Wireless. 13º Congresso
Internacional de Automação, Sistemas e
Instrumentação. 2009.
FDT Group. FTD Technical Description. FDT
Group. 2006.
Hart Communication Foundation. HART Protocol
Specification 7.1. HCF, 2007.
Profibus. PROFIBUS Profile - HART. PROFIBUS
Nutzerorganisation e.V., sixth edition, 2001.
Profibus. Profile for HART over PROFIBUS Application Guideline. In: PROFIBUS
Nutzerorganisation e.V., 2002.
LIMA, R.; SEBAJE, L.; INGRASSIA, A. S;
MORELLO, R. Gestão de Ativos Aplicado
em Plataforma de Petróleo. 13º Congresso
Internacional de Automação, Sistemas e
Instrumentação. 2009.