ARQUITETURAS DE GERENCIAMENTO DE ATIVOS PARA O SETOR SUCRO ALCOOLEIRO UTILIZANDO INSTRUMENTAÇÃO INTELIGENTE HART

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1 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

2 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.

3 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: DTM (Device Type Manager), usado pela tecnologia FDT (Field Device Technology); EDDL (Electronic Device Description Language). 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

4 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. 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 Figura 2 Ligação Utilizando Remotas PROFIBUS DPV1 Novas Tecnologias: WirelessHART 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 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

5 elementos todos encapsulados dentro de um único invólucro. 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. Figura 3 Arquitetura Básica WirelessHART No rádio utilizado no WirelessHART é usado o padrão IEEE , 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

6 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 SILVA, A. A. BELLOTI, G. L. CHAYA, H. H. Utilizing asset data for predictive asset management. Revista Intech. Novembro/Dezembro ARC says HART is the leader in communications. In: Automation.com. Real-time Information for the Automation Professional Disponível em: ent-study-shows-hart-communicationprotocol-as-global-leader CASSIOLATO, C. Versões do PROFIBUS DP BONIFÁCIO, T. G.; PANTONI, R. P.; BRANDÃO, D. Análise Tecnológica de Redes Industriais Wireless. 13º Congresso Internacional de Automação, Sistemas e Instrumentação FDT Group. FTD Technical Description. FDT Group Hart Communication Foundation. HART Protocol Specification 7.1. HCF, Profibus. PROFIBUS Profile - HART. PROFIBUS Nutzerorganisation e.v., sixth edition, Profibus. Profile for HART over PROFIBUS - Application Guideline. In: PROFIBUS Nutzerorganisation e.v., 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

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