REPETIDOR WIRELESSHART™
Introdução
A necessidade de automação na indústria e nos mais diversos segmentos está associada, entre diversos aspectos, às possibilidades de aumentar a velocidade de processamento das informações, uma vez que as operações estão cada vez mais complexas e variáveis, necessitando de um grande número de controles e mecanismos de regulação para permitir decisões mais ágeis e, portanto, aumentar os níveis de produtividade e eficiência do processo produtivo dentro das premissas da excelência operacional.
A automação permite economias de energia, força de trabalho e matérias-primas, um melhor controle de qualidade do produto, maior utilização da planta, aumenta a produtividade e a segurança operacional. Em essência, a automação nas indústrias permite elevar os níveis de continuidade e de controle global do processo com maior eficiência, aproximar ao máximo a produção real à capacidade nominal da planta, ao reduzir ao mínimo possível as horas paradas, de manutenção corretiva e a falta de matéria-prima.
Além disso, com o advento dos sistemas de automação baseado em redes de campo e tecnologia digital, pode-se ter vários benefícios em termos de manutenção e aumentar a disponibilidade e segurança operacional. E ainda, a automação extrapola os limites de chão de fábrica, ela continua após o produto acabado, atingindo fronteiras mais abrangentes; a automação do negócio.
A solução completa deve prover uma metodologia de gestão da indústria de forma transparente e garantir que todos os esforços sejam direcionados para se atingir a meta estabelecida, facilitando a tomada de decisão quando há mudanças relevantes ao desempenho dos indicadores ou um desvio em relação ao planejado.
Usuários e clientes então devem estar atentos na escolha e definição de um sistema de automação e controle, onde esta definição deve levar em conta vários critérios e que possa estar em sincronismo com o avanço tecnológico.
Quanto mais informação, melhor uma planta pode ser operada e sendo assim, mais produtos pode gerar e mais lucrativa pode ser. A informação digital e os sistemas verdadeiramente abertos permitem que se colete informações dos mais diversos tipos e finalidades de uma planta, de uma forma interoperável e como ninguém jamais imaginou e neste sentido, com a tecnologia Fieldbus (Foundation fieldbus, Profibus, HART(WirelessHART™), DeviceNet, Asi, etc) pode-se transformar preciosos bits e bytes em um relacionamento lucrativo e obter também um ganho qualitativo do sistema como um todo. Não basta apenas pensar em barramento de campo, deve-se estar atento aos benefícios gerais que um sistema de automação e controle possa proporcionar.
A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação está revelando um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos.
A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação alterando hierarquias e estruturas nos mais diversos ambientes industriais assim como setores, desde as indústrias de processo e manufatura. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.
Veremos a seguir, de forma breve, alguns detalhes sobre o RP400WH, um repetidor para a rede WirelessHART™. Teremos uma série de artigos sobre esta tecnologia, mostrando em detalhes o protocolo, seus mecanismos e vantagens. Acompanhe em: https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos
Figura 1 - WirelessHART™
A Tecnologia WirelessHART™
Nos últimos anos, a tecnologia de redes sem fio sofreu grandes avanços tecnológicos, o que hoje pode proporcionar: segurança, confiabilidade, estabilidade, auto-organização (mesh), baixo consumo, sistemas de gerenciamento de potência e baterias de longa vida.
Em termos de benefícios podemos citar, entre outros:
- A redução de custos e simplificação das instalações;
- A redução de custos de manutenção, pela simplicidade das instalações;
- Monitoração em locais de difícil acesso ou expostos a situações de riscos;
- escalabilidade;
- Integridade física das instalações com uma menor probabilidade a danos mecânicos e elétricos (rompimentos de cabos, curtoscircuitos no barramento, ataques químicos, etc).
A rede WirelessHART™ tem se destacado na preferência dos usuários. É uma tecnologia complementar, que pode conviver lado a lado com outras redes digitais de campo com fio.
A mundialmente consagrada tecnologia HART® agora oferece um protocolo robusto e destinado a inúmeras aplicações, com a vantagem do recurso wireless. Economia de instalação e gestão eficaz de energia, rápido acesso às informações provenientes do campo, robustez na comunicação e na integridade das informações, segurança na rede: isso e tantas outras vantagens compõem a tecnologia WirelessHART™ (saiba mais em www.hartcomm.org), que chegou ao universo da automação para inovar e revolucionar.
Baseada em um protocolo de comunicação de rede mesh sem fio, o protocolo WirelessHART™ garante a compatibilidade entre instrumentos, comandos e ferramentas HART® existentes. Basicamente, uma rede WirelessHART™ é composta pelos elementos como os da figura abaixo. Os elementos da figura, em rede, constituem a chamada rede mesh. São eles:
- Hospedeiro - estação de trabalho que permite interação com o processo. Através do WirelessHART™ Gateway, o hospedeiro reúne dados de instrumentos conectados à rede em questão. Utiliza protocolos como o Profibus, High Speed Ethernet (HSE), entre outros.
- WirelessHART™ Gateway - converte dados entre hospedeiro e equipamentos conectados à rede. Juntamente com os transmissores wireless da Smar, utiliza-se o Gateway DF100. Ele incorpora as funcionalidades do Gerente de Rede (Network Manager) e do Ponto de Acesso (Access Point).
Figura 2 – Arquitetura típica WirelessHART™
- Network Manager - distribui, entre outras responsabilidades, a identidade da rede, publicando sua existência; distribui chaves de segurança individuais aos instrumentos; atribui uma banda de comunicação a eles; gerencia rotas na comunicação entre eles, etc. Ele é uma aplicação normalmente incorporada ao WirelessHART™ Gateway.
- Access Point - de um modo simples, pode ser entendido como o rádio WirelessHART™ instalado no Gateway.
- Instrumentos de Campo WirelessHART™ - os equipamentos WirelessHART™ da Smar atuam, além de suas funcionalidades como transmissores e como roteadores (repetidores), sendo capazes de retransmitir mensagens de/para outros instrumentos na rede.
- Adaptador WirelessHART™ - é um instrumento “ponte”, capaz de disponibilizar dados de um instrumento de campo HART® 4 a 20 mA (com fio) ao hospedeiro via WirelessHART™(sem fio), permitindo então que um instrumento de campo convencional HART® faça parte de uma rede como a abordada.
Os instrumentos WirelessHART™ devem ser instalados em campo e configurados da mesma forma que instrumentos HART® convencionais. Isso é possível tendo-se os arquivos do tipo DD (Device Description) atualizados e carregados ao seu configurador. Este, por sua vez, também pode ser utilizado normalmente. Vale ressaltar também que esses instrumentos podem ser tanto configurados previamente, em bancada, quanto no momento da instalação.
RP400WH – Repetidor WirelessHART
O RP400WH não é um elemento de processo, mas um elemento de rede. O conceito da rede WirelessHART™ é que cada um de seus equipamentos funcione também como repetidor, daí a ausência do elemento “repetidor” na descrição da estruturação deste tipo de rede.
O RP400WH é um dispositivo dedicado à rede WirelessHART™ e tem a função principal de estender o alcance desta rede, sendo um agente roteador que simplifica o planejamento e a implementação de uma rede sem fio. Ele não tem atuação no processo industrial. Uma rede de comunicação WirelessHART™ é estruturada em malhas e adota arquitetura utilizando uma rede “Mesh”. As redes “Mesh” permitem que os nós da rede comuniquem entre si estabelecendo caminhos redundantes até a base, aumentando a confiabilidade, pois se um caminho está bloqueado existirão rotas alternativas para que a mensagem chegue ao seu destino final. Este tipo de rede também permite escalabilidade simplesmente adicionando mais nós ou repetidores RP400WH na rede. Outra característica é que quanto maior a rede maior a confiabilidade porque mais caminhos alternativos são automaticamente criados.
O RP400WH não faz nenhum tipo de medição, a não ser a leitura da tensão do Módulo de Baterias. O RP400WH verifica constantemente o status da rede wireless.
As principais características do RP400 são:
- Comunicação digital WirelessHART™, Protocolo HART Versão 7;
- Aumento das rotas de comunicação facilitando a escalabilidade da rede WirelessHART™;
- Aumento da confiabilidade através de caminhos alternativos na rede Mesh;
- Solução com excelente relação custo/benefício.
- Baterias primárias de Lítio (Li-SOCl2) de 3,6 V, totalizando 7,2 V.
Figura 3 – RP400WH – RepetidorWirelessHART™™
Figura 4 – Diagrama de blocos do hardware do RP400WH
O RP400 WirelessHART™não faz nenhum tipo de medição, a não ser a leitura da tensão do Módulo de Baterias. O RP400 WirelessHART™verifica constantemente o status da rede wireless.
De acrodo com a figura 4, temos:
CPU - Unidade Central de Processamento e FRAM
A CPU é a parte inteligente do repetidor, sendo responsável pelo gerenciamento e operação de todos os outros blocos. O firmware é armazenado na memória FLASH, enquanto os dados de calibração, configuração e identificação são armazenados na memória não volátil FRAM. Para armazenagem temporária de dados, a CPU tem uma RAM interna, que são perdidos se a alimentação for desligada.
Modem HART
Modula um sinal de comunicação na linha de corrente. O "1" é representado por 1200 Hz e o "0" por 2200 Hz. A função deste sistema é tornar possível a troca de informações entre o configurador e o repetidor, através de comunicação digital do tipo Mestre-Escravo. Sendo assim, o repetidor faz a demodulação do sinal recebido serialmente do configurador pela porta de manutenção, após tratá-la adequadamente, modula a resposta a ser enviada. O HART® utiliza a tecnologia FSK para a modulação do sinal.
Bateria
O Módulo de Baterias é composto de 2 baterias primárias de Lítio (Li-SOCl2) de 3.6V, totalizando 7.2V. Cada bateria possui 2,5 gramas de lítio, totalizando 5,0 gramas no Módulo de Baterias.
Sob condições de uso normais, as baterias não oferecem risco de reação espontânea desde que sejam manuseadas corretamente. Deve-se redobrar a atenção em relação a quedas, altas temperaturas e curto-circuito no Módulo de Baterias, para que o mesmo não ofereça nenhum risco ou mau funcionamento. Mesmo com as baterias descarregadas mantenha os mesmos cuidados, pois ainda oferecem perigos. Nunca tente desmontar, modificar ou recarregar as baterias, pois poderá resultar em vazamento ou explosão. O Módulo de Baterias deve ser armazenado preferencialmente em ambiente abaixo de 30°C, seco e ventilado, sujeitos a menor variação de temperatura.
Controlador do Display
Recebe os dados da CPU informando que segmentos do Display de Cristal Líquido devem ser ligados.
Porta de Manutenção
As portas de comunicação permitem comunicar com o repetidor. Para isso, deve-se conectar um configurador HART nos terminais de comunicação “CN1” e “CN2“, que é mostrado na figura 5.
Figura 5 – Porta de manutenção do Repetidor Um configurador pode ser conectado aos terminais de comunicação do repetidor através dos seus terminais de conexão.
Algumas dicas de com Planejar uma Rede WirelessHART™
O planejamento de uma rede WirelessHART™ é uma tarefa que se assemelha muito às atividades que executamos atualmente com instrumentos convencionais, com fio. Além disso, devido à simplicidade de uma rede (mesh) WirelessHART™, dispensam-se, em geral, pesquisas de campo detalhadas, que usualmente são necessárias ao planejarmos redes baseadas em outras tecnologias sem fio.
Basicamente, uma rede WirelessHART™ envolve etapas de planejamento, projeto, instalação e comissionamento.
Planejamento
Esta etapa pressupõe a execução dos seguintes passos:
Definição do Escopo
Defina claramente o escopo da rede que se deseja. Responda à pergunta: por que precisamos da rede sem fio? Para monitorar variáveis de processo ou para implementar um controle não crítico? A resposta a esta pergunta facilitará o entendimento entre os membros da equipe responsável pela rede e determinará uma ou mais unidades processo dentro da planta. Para cada unidade de processo, aloque um gateway com Identificador de Rede único e específico.
Esboce os principais instrumentos de campo.
Identifique potenciais fontes de interferência.
Existem na planta comunicações via rádio ou outras redes sem fio? Quais protocolos e frequências elas utilizam? Utilizam alta potência? Apesar de improvável, dada a robustez dos rádios utilizados pela tecnologia WirelessHART™, o conhecimento prévio das respostas para essas perguntas pode identificar potenciais fontes de interferência e indicar a tomada de ações preventivas e/ou limitadoras antes mesmo da instalação. Por exemplo, pode-se marcar um canal de frequência como não disponível, adicionando-o à lista negra de frequências que fica sob o controle do Gerente de Rede WirelessHART™.
Integração com o Hospedeiro
O gateway conecta os instrumentos WirelessHART ao sistema hospedeiro. Planeje quais instrumentos e quais dados serão necessários. Além disso, tenha claramente definido quais estações ou aplicações processarão esses dados. A partir daí defina, dentre os protocolos existentes no sistema, qual será usado para a integração com o hospedeiro e com as ferramentas existentes para a configuração dos instrumentos. Definido o protocolo para a integração, o usuário deve escolher no mercado o gateway que melhor o atenda. A Smar disponibiliza o Gateway DF100 com suporte a Modbus/TCP/HSE.
Projeto
Na etapa de projeto, recomenda-se a adoção das práticas abaixo. Apesar de conservadoras, essas práticas garantem robustez e escalabilidade à rede.
o Defina o Identificador da Rede que será usado para todos os instrumentos na unidade de processo;
o Defina se a Chave de Adição será comum a todos os instrumentos ou individualizada e dedicada;
o Defina a política que será usada para a definição dos (Long) Tags dos instrumentos;
o Utilize um desenho em escala da unidade de processo;
o Posicione o gateway numa posição estratégica dentro da unidade de processo;
o Planeje redes com, no mínimo, cinco (05) instrumentos;
o Instale, no mínimo, cinco (05) instrumentos dentro da área de cobertura do gateway;
o Garanta que 25% dos instrumentos estejam dentro da área de cobertura do gateway;
Figura 6 – Prática recomendada entre equipamentos e o gateway wirelessHART
o Reposicione o gateway conforme a necessidade;
o Verifique a área de cobertura de cada instrumento;
o Garanta que cada instrumento possua três (03) vizinhos dentro de sua área de cobertura;
o Posicione repetidores RP400WH conforme a necessidade. O RP400WH é o melhor custo/benefício do mercado.
Figura 7 – Prática recomendada – Equipamentos wirelessHART e vizinhos
Figura 8 – Prática recomendada – Antenas x obstáculos
Figura 9 – Prática recomendada – Antenas de Gateways e repetidores
Figura 10 – Prática recomendada – posicionamento dos equipamentos
Conclusão
O fator tecnológico e a inovação tecnológica são responsáveis pelo rompimento e/ou aperfeiçoamento das técnicas e processos de medição e controle. Pode, desta forma, trazer ganhos em termos de competitividade. O rompimento com a tecnologia convencional será uma questão de tempo e com isto serão ampliadas as possibilidades de sucesso com a inovação demandada pelo mercado, neste caso sistemas de automação verdadeiramente abertos (vide https://www.smar.com.br/pt/system302), com tecnologias digitais, baseado em redes industriais, conectividade Wireless e com várias vantagens comparadas aos convencionais SDCDs.
A mudança do controle de processo da tecnologia 4-20 mA para as redes digitais e sistemas abertos já se encontra num estágio de maturidade tecnológica e usuários colhendo seus benefícios. Essa mudança é encarada como um processo natural demandado pelos novos requisitos de qualidade, confiabilidade e segurança do mercado. A sua utilização traz uma vantagem competitiva, no sentido que essa nova tecnologia traz aumentos de produtividade pela redução das variabilidades dos processos e redução dos tempos de indisponibilidade das malhas de controle.
Autor
- César Cassiolato
REFERÊNCIAS:
http://www.smar.com.br/PDFs/catalogues/RP400CP.pdf
- https://www.smar.com.br/pt/categoria/tecnologias
- https://www.smar.com.br/pt/produto/ld400-transmissores-de-pressao-hart
- https://www.smar.com.br/pt
- Artigos técnicos, César Cassiolato
Soluções Confiáveis
