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ISA 100 e WirelessHART Aplicações de Redes Sem Fio na Instrumentação e Controle de Processos Industriais
1 MÁRCIO VENTURELLI
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Márcio Venturelli
ISA 100 e WirelessHART
Aplicações de Redes Sem Fio na Instrumentação e
Controle de Processos Industriais
ISA 100 e WirelessHART Aplicações de Redes Sem Fio na Instrumentação e Controle de Processos Industriais
2 MÁRCIO VENTURELLI
Este artigo e apresentação têm como principal objetivo demostrar
de forma simplificada e rápida a utilização da tecnologia ISA 100 e
WirelessHART nas aplicações de instrumentação e controle de
processos industriais.
Este texto não tem a intenção em nenhum momento de descrever
detalhes técnicos de funcionamento do protocolo e norma, muito
menos de polarizar e formar opinião entre as diferenças de
tecnologia, mesmo porque o usuário final é quem “manda”, portanto
escolhe o que quer.
Nossa intenção com este trabalho é somar a tantos textos de
excelente qualidade que há disponível, tanto em termos
tecnológicos quanto de aplicações, os fabricantes de diversos
equipamentos desta linha ofertam aos usuários amplo
conhecimento da aplicação, seus benefícios e peculiaridades de
cada solução.
Como estamos falando duas tecnologias distintas, porém com
objetivos únicos, comunicação de instrumentos na indústria,
procuramos aqui, tangenciar elementos comuns da aplicação,
sendo a escolha de um ou outro, ficando a cargo de cada usuário.
Observamos em diversas pesquisas que muitos usuários,
estudantes e engenheiros de aplicações têm dificuldades de uma
visão geral da tecnologia e ter um norte de estudo para iniciar
conceitos sobre uma demanda na solução na indústria e nossa
intenção e preencher de forma simples esta lacuna.
ISA 100 e WirelessHART Aplicações de Redes Sem Fio na Instrumentação e Controle de Processos Industriais
3 MÁRCIO VENTURELLI
Em nenhum momento queremos esgotar o assunto, o modelo de
nossas apresentações e textos são sucintos e práticos, desde já
sugerimos complementações em pesquisas sobre os termos aqui
explicitados.
Para orientar nosso texto, vamos falar sobre algumas questões
comuns nas aplicações Wireless, lembrando que o nível de
aplicação está na instrumentação do processo:
Quais justificativas para utilização de Wireless na Indústria;
Quais benefícios na utilização de Wireless na Indústria;
Quais tecnologias estão no mercado e suas aplicações
práticas.
A fim de limitar o escopo de aplicação da tecnologia sem fio,
mostramos abaixo os principais cenários e aplicações comuns na
indústria destes tipos de soluções:
Necessito fazer uma medição de temperatura em um local
onde a máquina é rotativa e se desloca, não há como cabear
a instrumentação, além de ser um ambiente agressivo;
Preciso aquisitar dados de diversos pontos do processo de
difícil acesso, com objetivo de gerenciar o ativo da planta;
Desenvolver um controle de nível de baixa criticidade,
substituindo uma operação manual remota, apenas
colocando medição e atuador Wireless.
O que a tecnologia Wireless na instrumentação e controle é afinal?
É importante entender o seu conceito principal quanto à aplicação:
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Instrumentação Wireless é a tecnologia de medição e
controle (sem criticidade) sem utilização fios no processo
industrial;
Ela não substitui a convencional, esta tecnologia
complementa suas aplicações, antes não possível;
A implantação é rápida, segura e eficaz, já obtendo
benefícios imediatos pós-investimento.
Por conceito o funcionamento da comunicação Wireless é através
da propagação das ondas eletromagnéticas, há um arranjo
eletrônico nos dispositivos, onde as informações são trocadas
através das antenas dos equipamentos, por esta propagação
eletromagnética, originada pela onda elétrica (movimento dos
elétrons), trafegam informações devidamente codificadas e
interpretadas entre os dispositivos, formando a rede de
comunicação, através de um protocolo.
A história das telecomunicações se inicia na descoberta da indução
eletromagnética por Michael Faraday (1831), percorrendo um longo
caminho através do tempo, com diversas pesquisas e evolução
tecnológica.
Em 2004 temos a versão do WirelessHART, onde o protocolo
HART, já existia, passando a interconectar instrumentos de forma
sem fios e, em 2009, a ISA, lança a primeira versão do norma ISA
100.11a, que tem os mesmos objetivos básicos, fazer
instrumentação e controle de processos industriais sem fio.
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Com esta evolução, seguimos mais um passo tecnológico pós-redes
industriais nos barramentos de campo, pois agora utilizamos o meio
sem fio com protocolos industriais padrão e aberto, iniciando uma
nova fase evolutiva na automação industrial.
Podemos justificar as aplicações Wireless na indústria da seguinte
forma, isto é, onde podemos aplicar de forma a obter benefícios:
Instrumentação convencional (fiação) não é possível;
Viabilidade de medição pela quantidade de instrumentos
(função);
Facilidade de manutenção e monitoramento (acesso);
Disponibilidade da informação em múltiplos locais;
Interconexão a longa distância.
Apresemos abaixo alguns dos principais benefícios no uso da
tecnologia Wireless:
Aplicações Especiais;
Mobilidade;
Alcance;
Flexibilidade;
Confiabilidade;
Implantação Rápida;
Custo de Manutenção;
Imunidade a Ruído;
Custo Projeto / Instalação (viabilidade);
Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança.
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Dentro das aplicações Wireless há enquadramentos quanto a
abrangência, tanto de distâncias quanto de pacote de dados, em
nosso caso, para ISA 100 e WirelessHART, vamos nos enquadrar
na IEEE 802.15, que é a norma que trata das redes WPAN, que são
redes locais, onde o protocolo e a norma se encaixam.
As características básicas de uma rede Wireless de instrumentação
e controle de processo são:
Instrumentos de medição;
Adaptadores de instrumentos com fio;
Repetidores de comunicação na rede;
Gateway de dados;
Controlador PLC/DCS;
Estação de Engenharia.
A ISA 100 é uma norma, onde define aplicações desde o nível
sensor, que é a instrumentação que é nosso objetivo do texto, até
comunicações em backbone, isto é, esta norma tem uma
abrangência além da instrumentação do campo, por isso temos
suas divisões.
A ISA 100.11a, define os padrões para sensores de rede, a
instrumentação de medição do processo e a ISA 100.15, define
padrões para comunicação Wi-Fi e 3G, por exemplo, é o que se
chama de backhaul, que nada mais é do que a integração de
diversos níveis, por gateways multiprotocolos na rede.
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Nosso principal objetivo é comentar sobre a ISA100.11a , pois trata
dos instrumentos no campo, aplicações equivalentes ao
WirelessHART.
A ISA 100 define os limites de aplicações para instrumentação e
controle de campo através de classes, são 5 classes, onde das
classes 2 a 5 pode-se aplicar a tecnologia Wireless de forma
satisfatória, atendendo requisitos, logo há restrições quanto a classe
0, que são ações de emergência e classe 1, que é controle
regulatório, malha crítica.
Há na ISA 100.11a, a característica da interoperabilidade entre
redes, isto é, podemos ter diversos protocolos, FF, Profibus PA, por
exemplo, comunicando pelo mesmo backbone, os gateways
interpretam as informações e na ponta temos de forma transparente
os dados dos instrumentos na rede.
O padrão ISA 100 tem a característica de trabalhar com diversos
protocolos, utilizando gateways universais.
O padrão ISA 100.15 tem o principal objetivo de criar um “túnel” de
diversos protocolos e redes sem fio, podendo inclusive comunicar
em níveis diferentes, a principal ideia é poder convergir os sistemas
de comunicação da planta.
As redes WirelessHART seguem as mesma ideia do ISA 100.11a, o
que é mais importante entender é que o protocolo é o HART, já
conhecimento e amadurecido no mercado, muito conhecido no
meio dos instrumentos com fio, agora comunicando de forma sem
fio.
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Algumas características do WirelessHART:
Taxa de comunicação de 250 Kb/s em 2.4 GHz;
16 Canais de Rádio;
Modulação Digital baseada em DSSS;
Operação Ponto-a-Ponto para permitir a formação de rede
Mesh;
“Ouvir antes de Falar” para acesso ao canal (CSMA-CA );
Endereçamento dinâmico e flexível dos devices;
Protocolo amigável para confiabilidade na transferência;
Baixo consumo de energia.
Comparações entre WirelessHART e ISA 100.11a, são comuns,
todavia é sempre importante se ater a aplicação, isto é, a
necessidade e a solução de sua demanda, todas as tecnologias tem
suas característica, observe o quadro da apresentação.
Outra discussão comum é quanto ao controle, se é possível e
prudente efetuar controle com redes Wireless, já apresentamos
anteriormente esta questão dentro das classes que a própria ISA
100 define, todavia podemos afirmar que é totalmente possível sim
efetuar controles, sempre observando criticidade e segurança.
Muitas aplicações de controle Wireless comum são substituições de
comandos em campo manuais, por exemplo, de abertura e
fechamento de válvulas e desligamentos de segurança de processo,
não críticos, eliminando operações manuais, inclusive elevando o
padrão de segurança do processo.
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O gerenciamento de ativos já é comum e de grande destaque no
uso de protocolos industriais e com as redes Wireless, potencializa
sua aplicação.
Em muitos casos não há automação para obtenção de informações
na rede de controle para fazer a gestão dos ativos, a rede Wireless
passa a ser uma opção de aplicação rápida e consistente para levar
informações do campo para a manutenção e operação, ganhando
em informações preditivas dos equipamentos e processos.
A questão da segurança também remete a muitas preocupações,
pois é uma rede que está “aberta”, todavia há nos protocolos a
tecnologia capaz de gerenciar as informações que trafegam por
esta rede.
De acordo com a segurança da rede industrial, existem três
aspectos que devem ser considerados: confidencialidade,
integridade e disponibilidade.
Confidencialidade: Garantia da informação somente para
usuário autorizado;
Integridade: Informação somente pode ser modificada
por usuário autorizado;
Disponibilidade: Acesso permanente as informação pelos
usuários autorizados.
A montagem de uma rede sem fio é simples no entendimento da
conexão mecânica, uma vez que não há cabeamento, logo a
questão da topologia está ligada ao conexão lógica da rede, isto é,
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ao seu arranjo que é efetuado no comissionamento e configuração
do sistema de comunicação.
As redes WirelessHART e ISA100 permitem alguns arranjos de
topologia, normalmente Mesh e Estrela, para esta definição há de
considerar variáveis de instalação, bloqueios físicos, limitações de
visada, quantidade de instrumentos, distâncias de comunicação,
entre outros, pois a principal variável é a atenuação do sinal, onde
no resultado final deve haver uma boa qualidade dos sinais se
intercomunicando.
A implantação de uma rede Wireless exige um bom planejamento e
projeto, passamos abaixo algumas dicas importantes, não é um
roteiro e não abrange todo um projeto, mas são informações que
devem ser levadas em consideração:
Planeje o projeto, tenha uma visão clara do objetivo de
sua rede;
Discuta com seu fornecedor a melhor tecnologia a ser
aplicada em sua planta, há muitas soluções;
Se necessário contrate um serviço de Site Survey, que é
o projeto da rede Wireless com todos os detalhes de
sinais, visadas, repetidores, entre outros;
Planifique os instrumentos e o Gateway, lembre-se que
os instrumentos transmitirão informações e também
funcionarão como repetidores;
Analise as visadas da planta, pelo menos 25% dos
instrumentos devem ter conexão direta com o Gateway,
caso não ocorra utilize repetidores;
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Cada instrumento deve se comunicar com no mínimo 3
vizinhos e o Gateway com 5 instrumentos (redes
grandes);
Verifique se precisam acoplar outros protocolos ou
instrumentos com fio, use os conversores Wireless;
Configure as taxas de atualização, lembre-se que a
durabilidade da bateria depende desta configuração;
Após comissionamento aguarde 4 horas e analise as
interconexões dos instrumentos, se está minimamente
em quantidade de acoplamentos e qualidade de sinais;
Outros pontos a considerar:
Área Classificada: As soluções Wireless são aplicadas
em áreas Ex, analise das instalações do Gateway na
planta;
Baterias: O que define sua vida útil são principalmente
as taxas de atualização, planeje otimamente o uso da
informação;
Controle e Criticidade: Informações para controle de
processos e informações críticas devem ser analisadas
se podem ser colocada em Wireless, normalmente não
se aplicam, todavia um estudo de impactos é necessário.
Podemos comentar sobre algumas tendências em redes Wireless
em função das tecnologias atuais e sinais de evolução tecnológicas
atuais:
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Ampla utilização das redes Wireless para
Instrumentação, com objetivo de Gerenciamento de
Ativos On-Line;
Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para
armazenamento e análise de dados da Operação e
Manutenção;
Convergência de Protocolos e Camadas de informações,
horizontalizando as informações para a Indústria 4.0.
Concluímos que as redes sem fio para aplicação industrial estão em
crescimento, para instrumentação e controle é um grande avanço,
complementando soluções antes não possíveis. Somado ao fato
que o aumento das informações de planta permitem soluções que
remetem ao conceito da Indústria 4.0.
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SOBRE O AUTOR
• Márcio Venturelli trabalha no mercado
de automação industrial há 20 anos, tendo
passado por diversos departamentos, tais
como, assistência técnica, treinamentos,
comissionamento, projetos, engenharia,
marketing e negócios.
• Trabalhou em diversos projetos de
implantação de sistemas de automação e
controle operacional de plantas de
bioenergia, transformação e manufatura, no
Brasil e no exterior.
• Atualmente trabalha como eng. de soluções
em Conectividade e Redes Industriais,
desenhando soluções de automação e
controle de processos, aderente a Indústria
4.0.
• Professor universitário de pós-graduação de
automação industrial e gerenciamento de
projetos.
• Membro Sênior da ISA (Sociedade
Internacional da Automação), Diretor Técnico
da ISA e Membro do Comitê ISA 99 e ISA 100,
Diretor de Safety Bus da PI (Profibus
Internacional).
• Graduado em Ciência da Computação, com
especialização em Controle e Automação
Industrial, Pós-Graduado em Gestão
Industrial, Pós-Graduado em Tecnologia do
Petróleo e Gás e possui MBA em Estratégia de
Negócios.
ATUALIZADO MAR/2016