WirelessHART™ - um guia prático de instalação

 

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.

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.

Uma solução completa de automação 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.

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 a rede WirelessHART™, que já foi apresentada em algumas edições anteriores e neste artigo, veremos um guia prático de instalação que será de grande valor a usuários desta tecnologia

Vamos inicial falar brevemente do WirelessHART™.

WirelessHART™

A estrutura de uma rede WirelessHART™ está representada no diagrama da figura 1, onde a comunicação de uma rede WirelessHART™ é feita através de uma gateway.

Conseqüentemente, o gateway precisa ter a funcionalidade de um roteador de pacotes para um destino específico (instrumento da rede, aplicação hospedeira ou gerenciador da rede). O gateway usa o padrão de comandos HART para comunicar com os instrumentos na rede e aplicações hospedeiras (host applications).

 

 

Figura 1 – Estrutura de uma rede WirelessHART™

 

 

O WirelessHART™ faz parte do HART 7, o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio desenvolvido especificamente para atender as necessidades da indústria de processo.

Opera na freqüência de 2.4 GHz ISM usando o Time Division Multple Access (TDMA) para sincronizar a comunicação entre os vários equipamentos da rede. Toda a comunicação é realizada dentro de um slot de tempo de 10ms. Slots de tempo formam um superframe.

O WirelessHART™ suporta chaveamento de canais (channel hopping) a fim de evitar interferências e reduzir os efeitos de esvanecimento multi-percurso (multi-path fadings).O protocolo HART foi elaborado com base na camada 7 do protocolo OSI.

Com a introdução da tecnologia sem fio ao HART tem-se duas novas camadas de Data Link: token-passing e TDMA. Ambas suportam a camada de aplicação HART.

Na figura 2 temos o primeiro controlador HSE (High Speed Ethernet) WirelessHART™. É um controlador da Smar que traz ao mercado mais uma inovação. É um controlador com tecnologia digital aberta e integrável em sistemas baseados em HSE.

Uma rede de comunicação WirelessHART™é estruturada em malhas, onde cada

sensor funciona como um “router” ou como um repetidor. Deste modo, o alcance de uma rede não depende apenas de um “gateway” central, o que permite a configuração de uma ampla estrutura de rede distribuída. É uma forma inteligente de se garantir que em uma situação de obstrução que possa causar a interrupção de um caminho de comunicação, o sistema remaneja e consiga rotas alternativas, aumentando e garantindo assim a disponibilidade da rede.

O WirelessHART™ adota uma arquitetura utilizando uma rede “Mesh” baseado no IEEE 802.15.4  operando na faixa de 2,4 GHz. Os rádios utilizam o método de DSSS (espalhamento espectral com seqüenciamento direto) ou salto de canais FHSS (Spread Spectrum de salto de freqüências) para uma comunicação segura e confiável assim como comunicação sincronizada entre os dispositivos da rede utilizando TDMA (Time Division Multiple Acess).

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 esta 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 na rede. Outra característica é que quanto maior a rede maior a confiabilidade porque mais caminhos alternativos são automaticamente criados.

Uma rede WirelessHART™ possui três dispositivos principais:

  • Wireless Field devices: equipamentos de campo
  • Gateways: permitem a comunicação entre os equipamentos de campo e as aplicações de controle
  • Network Manager: responsável pela configuração da rede, gerenciamento da comunicação entre os dispositivos, rotas de comunicação e monitoramento do estado da rede.  O Network Manager pode ser integrado em um gateway, aplicação no host ou em um controlador de processo.

 

 

Figura 2 - Sistema Wireless com o DF100 (Controlador HSE- WirelessHART™).

Para uma solução completa, acesse: https://www.smar.com.br/pt/wireless

Guia prático de instalação WirelessHART™

Sem dúvidas a tecnologia WirelessHART traz uma nova dimensão ao mundo da automação de processos. Baseada no consagrado protocolo HART, o WirelessHART estende o alcance da instrumentação de processos de uma forma compatível com os sistemas e procedimentos existentes. Neste guia são sugeridos alguns passos para uma instalação WirelessHART bem sucedida.Acompanhe as figuras 3 a 7.

Planejando um projeto WirelessHART

1. Quais os objetivos para o projeto – monitoração da PV, controle não-crítico ou monitoração condicional de instrumentos. A resposta para estas perguntas irá afetar os equipamentos que você selecionar – equipamentos alimentados por bateria ou adaptadores WirelessHART, por exemplo. Como parte do escopo, tenha certeza de verificar previamente: área de cobertura da rede, densidade da área e instrumentação primária e secundária.

2. Existem várias maneiras de planejar uma rede e distribuir os equipamentos. Estas são similares à alocação de instrumentos em cartões de E/S em um controlador/CLP, no entanto, existem algumas novas considerações como localização do gateway e taxa de atualização dos parâmetros.

3. WirelessHART não deve causar muitas complicações, desde que se executem corretamente alguns pontos novos, como os parâmetros Network-ID, Join Key e Taxa de Atualização.

4. Aqui a ênfase é na utilização de protocolos existentes (Modbus – Profibus) para integração do host e ferramentas existentes para configuração dos instrumentos. A nova consideração é segurança - e ela existe!

Não se esqueça de que estamos tratando de uma rede MESH, onde os equipamentos não necessitam estar ao alcance do gateway desde que estejam próximos a outro equipamento da rede sem fio. Desta forma:

  • Distribua os equipamentos baseado no critério de segmentação dos caminhos;
  • Verifique a cobertura da rede por meio de desenhos em escala de sua planta;
  • Distribua repetidores de acordo com o necessário;
  • O gateway pode ser movido dentro da planta (verifique certificações necessárias);
  • Utilize antenas direcionais ou remotas, se necessário.

Especificação dos Equipamentos

Os equipamentos WirelessHART são basicamente os mesmos quando tratamos de suas características wireless. O equipamento deve ser registrado na HCF para se garantir bom desempenho e interoperabilidade com outros fabricantes.

Verifique o alcance da antena dado que alguns equipamentos podem oferecer opções de antena que alteram as características de distância.

Configuração de Fábrica – Decida se você deseja que o Network ID e Join Key já venham configurados do fornecedor (quando oferecido).

Um handheld HART ou ferramenta de PC lhe permitirá inserir instrumentos à rede. Redes que estejam em áreas comuns devem possuir diferentes Network ID’s.

Passos para instalação:

1.Instale e energize o gateway.

2. Se não tiver sido especificado pelo cliente no momento do pedido, os valores de Network ID e Join Key do gateway e dos equipamentos estarão com o valor default de fábrica.

Obs: É fortemente recomendado que ambos sejam alterados!

Para alterar estes parâmetros instale o gateway e todos os equipamentos da rede seguindo os passos a seguir. Depois que a rede estiver funcionando plenamente será mais prático alterá-los.

3. A configuração dos equipamentos deve ser realizada de forma individual, inicializando-se pelos mais próximos ao gateway e afastando-se até o mais distante para que a comunicação vá sendo estabelecida corretamente.

4. Instale os equipamentos sempre com a antena na direção vertical. Caso o equipamento seja instalado na horizontal, consulte a Smar para adquirir a antena para montagens horizontais, de forma a ficar 90° com o equipamento;

5. Ligue o equipamento pela chave a esquerda do display e aguarde até que se conecte à rede (este tempo pode variar de 2 minutos a até 20 minutos, dependendo do tamanho da rede). O status do equipamento na rede poderá ser verificado via display, porta de manutenção ou gateway.

Atenção:Se o equipamento não foi adquirido juntamente com o gateway, ou seja, se o gateway já tem valores de Network ID eJoin Key diferentes dos valores de fábrica, é necessário que se configure estes parâmetros no equipamento para que o mesmo se conecte corretamente à rede: configure primeiramente Network ID e, em seguida,Join Key, reinicializando o equipamento após as configurações.

6. Assim que estes passos forem realizados para todos os equipamentos da rede e os mesmos  estiverem conectados corretamente, é chegada a hora de alterar os valores de Network ID e Join Key de fábrica seguindo as instruções do final do passo 4 (caso já não tenham sido alterados). Network ID é um número qualquer entre 0 e 36863 e identifica a rede entre outras. Join Key é uma chave de 32 caracteres hexadecimais (0-9 ou A-F) e funciona como chave de acesso dos equipamentos à rede configurada.

7. Configure o parâmetro LongTAG que identifica o equipamento na rede.

8. Verifique se as unidades de engenharia do equipamento estão de acordo com as requeridas pelo processo.

9. Configure os parâmetros do modo Burst para publicar as medições e status desejados:

  • Mensagem de Burst: podem ser configuradas até 3 mensagens com comandos e tempos diferentes;
  • Tempo Mínimo: é o tempo para publicação das variáveis;
  • Tempo Máximo: deve ser maior que o tempo mínimo e só é utilizado em modo trigger (verifique o funcionamento do modo trigger no manual do equipamento, caso deseje receber as variáveis de monitoração apenas quando houver alguma mudança em seu valor);
  • Comando: comando HART que envia as variáveis desejadas pelo usuário (por exemplo, o comando 3 envia os valores de PV, SV, TV e QV, quando disponíveis);
  • Modo Burst: assim que todos os parâmetros acima tiverem sido configurados, ativar modo Burst.

10. Após um tempo de negociação com o gateway o equipamento começará a publicar o comando configurado a uma taxa de tempo mínimo configurado. O ícone ACK é mostrado no display (se disponível) quando o equipamento entra em modo Burst e o ícone F(t) pisca no momento em que o comando de Burst é enviado.

Atenção:As configurações do modo Burst permanecerão mesmo após o desligamento do equipamento, ou seja, quando religado, o equipamento se conectará à rede automaticamente em modo Burst com os mesmos tempo e comando configurados.

Após a configuração geral da rede, aguarde um período de cerca de 1 hora para que a rede passe a funcionar de forma 100% otimizada.

Atenção:Existe um parâmetro de estimativa de tempo de vida da bateria que indica a expectativa de duração, em dias, do equipamento. Quando este valor estiver próximo do fim, o usuário receberá um alarme no status do equipamento e no display (quando disponível).

Boas Práticas

O processo de instalação dos equipamentos WirelessHART é muito parecido ao utilizado em equipamentos HART com fio. Considerando que não existem fios e cabos, os equipamentos WirelessHART podem ser instalados assim que a infra-estrutura da planta esteja pronta e segura.

  • Cada equipamento deve possuir ao menos 3 vizinhos. O 3º vizinho servirá de backup se um dos dois caminhos primários estiver obstruído ou indisponível.Isto garante ao menos 2 conexões e possibilita a mudança destas ao longo do tempo. Quando esta regra é quebrada, pode-se fortificá-la com a adição de mais equipamentos;
  • Aumentar a elevação da antena e adicionar repetidores podem resolver vários problemas;
  • Montagem da antena dos equipamentos >0.5m de qualquer superfície vertical;
  • Montagem da antena dos equipamentos >1.5m do chão;
  • Gatewaydeve possuir ao menos 5 vizinhos. As redes com número de equipamentos inferior a 5 funcionarão corretamente, porém não conseguirão se beneficiar da redundância intrínseca de uma rede tipo MESH auto-organizável e poderá necessitar de repetidores;
  • 25% dos equipamentos da rede devem possuir conexões diretas ao gateway (em redes grandes),  a fim de garantir largura de banda suficiente para toda a rede e evitar pontos de afunilamento do tráfego de dados;
  • Quanto maior a taxa de atualização, menor o tempo de vida da bateria e vice-versa;
  • Configure uma taxa de atualização que permita ao equipamento durar alguns anos;
  • Instale o gateway WirelessHART na unidade de processo onde a maior parte de conexões diretas dos equipamentos possam ser feitas;
  • Os gateways podem possui uma conexão remota de antena, permitindo que seja instalados em ambientes fechados e que apenas a antena esteja no ambiente da rede;
  • Se a antena de um equipamento WirelessHART estiver localizada próxima a uma antena de alta potência de um outro equipamento sem fio qualquer, deverá ser colocada a uma distância mínima de 1 metro acima ou abaixo da antena de alta potência a fim de minimizar possíveis interferências;
  • Nenhum equipamento WirelessHART deve estar localizado no ponto mais alto da planta, evitando que funcione como possível para-raios.

Verificação do Alcance dos Equipamentos

Identifique qual a distância a ser considerada de acordo com o tipo de ambiente a se instalar o equipamento:

  • Obstrução Forte – cerca de 30 m. Ambientes muito densos em relação a equipamentos, tubos, cabos, etc. Considere um local onde normalmente não se conseguiria trafegar.
  • Obstrução Média – cerca de 75 m. Ambientes que possuem equipamentos com espaço em relação ao restante da planta.
  • Obstrução Leve – 150 m. Considere um ambiente aberto que possua algum tipo de obstrução como um silo ou um tanque. Apesar da obstrução ser grande. Ao redor existe muito espaço livre para que as ondas de RF se propaguem.
  • Linha de Visada – até 230 m). Considere que a antena do equipamento “enxerga” diretamente a antena de outro equipamento da rede, sem nenhum tipo de obstáculo entre elas. Além disso, a diferença de altura entre elas não deve ocasionar um ângulo superior a 5 graus.

Condições que reduzem significativamente o alcance dos equipamentos incluem montar o equipamento próximo ao solo, abaixo do nível do solo ou sob água, pois o sinal RF é absorvido pelo solo ou pela água e não se propaga. Além disso, montar o equipamento fora da área da rede (gateway), por exemplo, considerando uma rede em ambiente aberto, instalar o equipamento dentro de uma sala fechada também contribui para a atenuação do sinal, afinal o sinal não se propagará muito bem por concreto, madeira, etc.

Figura 3 – Prática recomendada entre equipamentos e o gateway wirelessHART

Figura 4 – Prática recomendada – Equipamentos wirelessHART e vizinhos

Figura 5 – Prática recomendada – Antenas x obstáculos

Figura 6 – Prática recomendada – Antenas de Gateways e repetidores

Figura 7 – 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 figura 3, 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 4-20mA 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

Soluções Confiáveis

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