Instrumentação inteligente em sistemas 4 – 20 mA/HART e Ethernet-APL

Embora a comunicação HART seja um standard fiável já há muito tempo, a sua complexidade de configuração e velocidades de comunicação mais lentas podem limitar o acesso a funcionalidades avançadas do dispositivo. Em contraste, o PROFINET sobre Ethernet-APL oferece uma configuração de fácil utilização, elevada largura de banda e acesso a dados em tempo real, simplificando a integração de tecnologias inteligentes. Ao comparar estes dois sistemas, este artigo oferece aos engenheiros informações práticas para otimizar as operações industriais, aumentar a segurança e reduzir o tempo de inatividade.

A instrumentação de processos evoluiu significativamente, passando de sistemas analógicos simples de 4 – 20 mA, pela integração do protocolo HART modulado no sinal analógico de 4 – 20 mA [1], até ambientes de comunicação digital sofisticados. Esta mudança foi impulsionada pela necessidade de dados mais fiáveis, abrangentes e precisos para suportar operações industriais cada vez mais complexas de forma eficiente.

Embora as funcionalidades inteligentes sejam viáveis ​​e confiáveis ​​em ambientes 4 – 20 mA/HART permanecem desafios específicos, como a complexidade de configuração, velocidades de comunicação mais lentas e manipulação de dados limitada. Estes desafios levam, muitas vezes, os utilizadores a depender exclusivamente do sinal 4 – 20 mA em dispositivos compatíveis com HART, não utilizando algumas funcionalidades avançadas.

Em contraste, o PROFINET sobre Ethernet-APL [2] representa um avanço significativo na automatização de processos, proporcionando uma maior taxa de transferência de dados, uma integração perfeita com ferramentas modernas e uma gestão mais eficiente de diversos instrumentos. [3]

Estas vantagens facilitam uma configuração mais rápida, monitorização em tempo real e acesso simplificado a informações de diagnóstico. As arquiteturas de automação modernas empregam frequentemente uma infraestrutura Ethernet, permitindo a coexistência de dispositivos 4 – 20 mA/HART e PROFINET em segmentos de rede distintos (Figura 1).

1. Compreender instrumentos de medição inteligente em sistemas 4 – 20 mA/HART e PROFINET sobre Ethernet-APL

Os instrumentos de medição inteligente oferecem um potencial significativo para melhorar a eficiência e reduzir os riscos na automatização de processos. Estes dispositivos vão além das tarefas básicas de medição, incorporando funcionalidades avançadas de diagnóstico, verificação e monitorização que lhes permitem avaliar o seu próprio funcionamento e a estabilidade dos processos que monitorizam. Ao fornecer informações de diagnóstico em tempo real, verificar o desempenho funcional e monitorizar continuamente as condições do dispositivo e do processo, os instrumentos inteligentes funcionam como “lupas” para o funcionamento interno dos processos, fornecendo insights que impulsionam a otimização operacional e aumentam a segurança.

1.1. Melhorando a fiabilidade do processo através de funcionalidades abrangentes de diagnóstico

Funcionalidades de diagnóstico e automonitorização em dispositivos de campo oferecem uma oportunidade para melhorar a fiabilidade do processo, a qualidade e a segurança da instalação. Estas capacidades são desenvolvidas em conformidade com normas internacionais como a IEC 61508 [4], IEC 61511 [5], ISO 9001 [6] e diretrizes específicas do utilizador como a NAMUR NE 107 [7], que oferecem as melhores práticas para o design e funcionamento de dispositivos de campo em aplicações de controlo de processos e sistemas de segurança.

A IEC 61508 enfatiza o desenvolvimento de dispositivos de medição fiáveis ​​para sistemas relacionados com a segurança através de um processo de design estruturado. Os dispositivos são avaliados através do método de Probabilidade de Falhas a Pedido (PFD) para identificar a probabilidade de falhas não detetadas. As funções de diagnóstico, apoiadas por uma análise de risco (por exemplo, Análise de Modos de Falha, Efeitos e Diagnóstico – FMEDA), detetam desvios da operação normal, aumentando a fiabilidade do sistema. A utilização de componentes com baixas taxas de avaria reduz ainda mais o potencial de avaria do dispositivo.

1.1.1. Implementação em ambiente 4 – 20 mA/HART

Em ambientes 4 – 20 mA/HART, as informações de diagnóstico são normalmente apresentadas no dispositivo e incluem detalhes sobre as causas profundas e as ações corretivas. Enquanto o sinal 4 – 20 mA transmite um valor de medição ou um estado de erro (0, <4 ou >20 mA), o protocolo HART permite o acesso remoto à informação de diagnóstico através de sistemas de gestão de ativos, desde que a infraestrutura inclua I/O remotas ou placas de entrada compatíveis com HART.

Nestes ambientes, os sistemas de gestão de ativos melhoram o tempo de trabalho, apresentando a informação de diagnóstico de forma organizada. Os alertas indicam os dispositivos que requerem atenção, permitindo que a equipa de manutenção se prepare adequadamente antes de visitar o local. Os ficheiros específicos do dispositivo, como as Descrições de Dispositivos (DD) ou os Gestores de Tipo de Dispositivo (DTM), são necessários para integrar os diagnósticos nos sistemas de gestão de ativos.

Karl Büttner, Lukas Klausmann, Daniel Persson
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