Integração de Instrumentação inteligente HART no CONCEITO de Arquitetura de Sistemas de Automação

Não basta apenas adotar o Hart…

Quando o cliente já investiu seu dinheiro com instrumentação inteligente usando o protocolo HART, precisamos ter certeza de ele pode obter os benefícios de ter solução HART por meio da compreensão seus reais requisitos. Normalmente, investindo em instrumentação inteligente, o cliente precisa fazer diagnóstico  calibração e configuração remota (que é o propósito de gerenciamento de ativos) a partir da plataforma correta na proposta Arquitetura de sistemas de automação.

Devemos conhecer alguns pontos importantes abaixo, a fim de que possamos ajudar o cliente a projetar a solução que finalmente pode trazer todos os valores para eles, levando este investimento HART para todo o seu ciclo de vida do projeto (engenharia, manutenção e operação):

Entender limitações do Hart

Uma rede HART só pode suportar 1 Mestre Primário e 1 Mestre secundário para ser conectado em um momento.

A conexão como Master é necessária, por exemplo, quando a ferramenta precisa fazer diagnóstico remoto, calibração remota e configuração.

O Master pode ser estação de engenharia, sistema de gestão de ativos (como Fieldcare, Pactware) usando a tecnologia FDT DTM ou mesmo SCADA

2. O Hart é realmente necessário?

Precisamos realmente perguntar ao cliente se ele precisa de dados HART (PV, SV, TV, QV etc.) para serem acessados pelo controlador para fins de controle ou não. Será que esses dados HART são importantes o sistema, por exemplo, para serem usados no controle de processos?

Para a maioria dos aplicativos, o controlador não precisa acessar esses dados adicionais. Ele só precisa acessar dados de Valor Presente (4-20 mA). Para diagnóstico remoto, calibração remota e configuração remota, o cliente usará o sistema de gerenciamento de ativos usando a tecnologia FDT DTM.

Hart e Control Expert (Schneider Electric)

Neste caso, no Control Expert (software de programação de controladores da Schneider Electric), vamos implementar essa necessidade de se ter HART em uma entrada e saída analógica padrão normal. Neste caso,  a Schneider possui módulos de entradas e saídas analógicas específicos com o HART. Este módulo HART será como porta de entrada para o gerenciamento de ativos para obter os dados HART de instrumentos inteligentes. Precisamos ainda colocar o módulo HART DTM para fazer o módulo estar em status funcional (status não defeituoso).

• 1. Mas se o cliente precisa do controlador Modicon para poder acessar dados HART (PV, SV, TV e QV, etc) para monitoramento e controle de processos, então há duas opções. A primeira opção é usar DDDT (Device Derived Data Type) e usar blocos de função (blocos de função elementares ou blocos de função derivados). o DDDT nada mais é que uma estrutura de variável gerada automaticamente para cada módulo Hart que “entrega” ao usuário informações sobre o módulo, que vão de valores de processos a diagnósticos e configurações).
  2. A solicitação de dados HART usando a abordagem DDDT (Device Derived Data Type) não ativará a conexão mestre daquele módulo HART para instrumentos inteligentes. Portanto, se os dados já estão no próprio módulo HART, não há nenhum mestre ativo será ativado na rede neste caso.
  3. Usando o EFB (Elementary Function block) ou usando algum DFB, então essa abordagem usará mensagens explícitas do Ethernet IP. Ele usará/ativará algum comando HART para ativar a conexão principal. Neste cenário, toda a transação com o módulo está sendo feitas por blocos em lógica (EFB e/ou DFBs), e não via FDT/DTM. Por isto o nome “mensagem explícita”.

Se o EFB solicitar esses dados HART a cada tempo de varredura do controlador, ele ativará a conexão entre o CLP e o módulo HART para a instrumentação inteligente a cada tempo de varredura. Para casos em que não há gerenciamento de ativos externos está tudo bem. Mas se há uma conexão externa de um gerenciador de ativos, uma situação indesejável irá ocorrer:

1. Quando você configura DTM deste módulo HART no Control Expert (ou via PES) como Mestre Primário, a mensagem explícita Ethernet IP na maior parte do tempo será executada cada scan do PLC, ou seja, a conexão principal do mestre será sempre ativada.
2. O impacto aqui, se tivermos gerenciamento externo de ativos (via FDT/DTM) configurados como Master Primário (normalmente ele é configurado como mestre primário, a fim de realmente acessar até o nível de instrumentação), será que a conexão HART de gestão de ativos será rejeitada porque HART não pode ter 2 mestres primário em um momento.
3. Por isso, para evitar essa condição, quando o cliente tiver gerenciamento de Ativos, precisamos ter certeza de que a configuração de DTM no módulo HART no Control Expert (ou via PES), será como mestre secundário

Será o mesmo, quando tentarmos fazer conexão com o módulo DTM do MÓDULO HART via Control Expert como contêiner FDT e conectar ao módulo via configuração de árvore DTM. Ele ativará a conexão principal HART. Novamente, se o sistema tem software de gerenciamento de ativos dedicado, precisamos fazer a configuração do DTM para aquele módulo HART dentro do controlador Modicon configurado como Mestre secundário.

Quando o cliente investe muito dinheiro para ter instrumentação inteligente no seu site, é uma clara indicação de que ele gostaria de ter uma plataforma remota que pode fazer funções remotas como diagnóstico, calibração remota e configuração. Precisamos escolher a plataforma correta para atender a este requisito. Há várias opções no mercado entre pagas e gratuitas. Uma opção de software de gestão de ativos gratuitos que é o Pactware.

Cenário de exercício

Requisitos do cliente:

• 1. Para fins de Controle e Supervisão/SCADA, é necessário acessar dados HART a partir de instrumentação inteligente de entrada analógica, acesso a Variável Primária (PV), Variáveis Secundárias (VV) e Terceira Variável (TV)
  2. Como eles já investiram muito dinheiro para ter todos os instrumentos com instrumentação suportada pela HART, então o cliente precisa de um provedor de soluções de automação para ter uma plataforma de gerenciamento de ativos remoto que pode fornecer funções remotas, como diagnóstico, calibração e configuração.
  3. O cliente exige que a plataforma específica fornecerá essas funções remotas (diagnóstico, calibração ou configuração) em qualquer momento durante o ciclo de vida do projeto sem trazer impacto para a execução sistema de controle (PLC e SCADA), como redução de performance, travamentos e paradas.

Implementação de exercícios e arquitetura HART

Projeto de implementação FDT/DTM

Para ajudá-lo a projetar a integração de instrumentação inteligente e atender às necessidades do cliente, responda algumas perguntas abaixo. Elas irão ajudá-lo a decidir o local/plataforma correto para implementar essa tecnologia FDT/ DTM.

• 1. Precisamos de fato do módulo HART (neste caso, o módulo Analog Input HART) no sistema de controladores? Ou o sistema precisa apenas de leitura de valores analógicos sem necessidade de configuração  calibração remota?
  2. Caso precise de HART, precisamos adicionar DTM para esse módulo HART na aplicação de programação do controlador?
  3. O que você sugere para acessar esses dados HART? Você prefere usar mensagens implícitas ou usar bloco de função (mensagens explícitas)? E por quê?
  4. Na configuração do módulo DTM HART, qual é o tipo HART de conexão que devemos implementar? É mestre secundário ou mestre primário? E por que?
  5. Para responder aos requisitos no ponto 2 e 3 acima, qual será a plataforma correta que você sugere? Você sugere usar o Control Expert? Ou outra plataforma?

Resposta para perguntas acima em um cenário onde o cliente precisa das funcionalidades HART:

1. Sim, porque os componentes da plataforma precisam acessar dados HART para sistema de controle e para funções remotas (Diagnóstico, calibração e configuração)
2. Sim, com a situação atual da solução, é obrigatório colocar DTM do módulo HART e configurar corretamente o serviço FDR para fazer o módulo entrar em funcionamento. Como o controlador precisa de dados HART neste caso PV, SV e TV, então precisamos configurar esses dados HART também no módulo HART DTM.
3. Usando mensagens implícitas Ethernet IP. É mais simples e não ativará a conexão mestre HART
4. Mestre Secundário. Porque teremos a outra plataforma que é a gestão de ativos para ser o mestre primário para fazer conexão remota
5. Não, o Control Expert não é a plataforma correta para atendera esses requisitos. Especialmente para responder ao requisito número 3. Precisamos oferecer plataforma que realmente projeta nativamente para fazer essas funções remotas específicas (diagnóstico remoto, calibração e configuração). Vamos oferecer software de gerenciamento de ativos externo para fazer essas funções

Arquitetura do sistema HART para exercícios

Nota: devido à limitação do hardware para exercício, certifique-se de que o software de gerenciamento de ativos estejam na mesma rede do módulo HART. Para o exercício, não temos um roteador na arquitetura e desta forma existe apenas uma rede para todo o sistema.

1. Configuração no Controlador
   1. Certifique-se de configurar o hardware com base na configuração especificada.
   2. Defina o endereço IP correto para CPU, módulo de comunicação e módulo HART.
   3. Habilite  / desabilite os serviços de segurança da CPU necessário.

Na configuração do controlador, precisamos ter certeza de que as configurações de segurança da CPU estão corretas, para configuração do ERIO. Para isso, precisamos garantir que a configuração TFTP, EIP DHCP_BOOTP estejam habilitadas para a arquitetura ERIO. Além disso, precisamos ter certeza de que FTP está ativado quando adicionamos módulo HART no controlador

Para não ter problemas com o acesso ao controlador enquanto estamos testando, basta desativar o controle de acesso.

Depois disso, você pode adicionar módulo AHI no rack local (para controlador standalone) ou no rack de IO remoto (depende da disponibilidade de hardware para o exercício). Se você colocar o módulo HART no rack local, você terá 2 opções para o tipo de dados IO. Escolha o DDT do dispositivo como tipo de dados de I/O. Para o módulo Hart no ERIO, o tipo de dados de I/O será sempre DDT do dispositivo

Um instrumento inteligente , neste caso Krohne TT51, será conectado a 1 canal do módulo AHI. Você pode configurar o módulo AHI, por exemplo, alterando o tipo de sinal e escala. Para este exercício, certifique-se de que o tipo de sinal é de 4..20 mA

Adicione DTM para este módulo AHI. Precisamos adicionar DTM para este módulo AHI, pois o controlador precisa acessar dados HART (PV, SV e TV) a partir de Krohne TT51.

No meu exemplo, adicionei o módulo AHI no ERIO drop 1.

Gostaríamos de configurar um cenário em que o controlador acessará esses dados HART usando a abordagem DDDT. Assim, ele usará mensagens implícitas Ethernet IP.

Você pode decidir quem será o scanner/consumidor desta mensagem IP Implícita. Pode ser CPU ou módulo de comunicação (ENOC).

Por exemplo, neste exercício, configuraremos a CPU M580 como scanner de mensagens implícitas Ethernet IP. Então você precisa adicionar DTM para AHI na parte da CPU.

O módulo DTM para AHI será o Gateway DTM.

Vá para a configuração DTM da CPU para dar endereço IP correto para este módulo AHI e habilite o “DHCP”.

O campo “Identifier” deve ser preenchido de acordo com o manual. Este padrão de nomenclatura é explicado no Help do Control Expert – Seção “Creating a Device Name for DHCP”. Para o exemplo, o device name é  C001_01_AHI0812.

• C001 = Rack remoto drop 1
• 01 = Slot 1
• AHI0812 = Nome DHCP do módulo HART

Certifique-se de que o endereço IP do módulo AHI esteja na mesma rede da rede de remotas (Remote IO).

Na guia propriedades, você altera o nome da estrutura de variáveis para este módulo , a fim de torná-lo mais amigável.

Vá para a configuração DTM do módulo AHI. Na visão geral do módulo (Module Overview), certifique-se de que este módulo terá conexão master secundária HART. Como teremos software de gerenciamento de ativos que farão a conexão com a instrumentação HART para fazer alguma função remota, sua conexão será o mestre principal.

Mesmo que o acesso aos dados HART para o controlador usando DDDT não ativará a conexão HART,  precisamos evitar a situação que quando alguém faz conexão HART pelo Control Expert como mestre primário, o módulo rejeite a outra conexão (por exemplo, de software de gestão de ativos)  devido a ter dois mestres primários.

Em Configuration>Security. Por favor, desabilitar o controle de acesso. Isto é feito par evitar qualquer problema de bloquei de acesso por IP durante o exercídio.

Em Configuration > Parameter Configuration, certifique-se de que o canal que você deseja usar instrumentos inteligentes esteja ativado.

Em Process Data, podemos configurar que tipo de dados HART esse controlador precisa acessar.

Feche a configuração DTM após feitas as configurações necessárias.

Se você for ao editor de dados do Control Expert, poderá ver que o Control Expert criará a estrutura DDT do dispositivo com base na sua configuração

Faça o download do aplicativo para controlador

A partir do DTM do AHI, execute a transferência para o servidor FDR.

Com esta etapa, o agente FDR (neste caso AHI DTM) transferirá sua configuração de parâmetro para o servidor FDR (neste caso, o módulo CPU/COMM do Controlador). Agora você pode se conectar ao DTM on-line.

Configuração do Software de Gestão de Ativos

1. 1. Neste exercício usaremos o Pactware 5.0 como software livre de gerenciamento de ativos para fazer a função remota (diagnóstico, calibração e configuração) para instrumentação inteligente e integração para atender às necessidades do cliente explicadas em cenário acima.
   2. Com o Pactware 5.0, a instalação padrão instalará todos os DTM necessários (com DTM, Gateway DTM, DTM do dispositivo) para componentes elétricos Schneider (CPU M580, eNOC, módulo HART, Altivars, etc)
   3. Mas para o Pactware 5.0, por instalação padrão ele não tem DTM específico para Krohne TT51. Por causa disso, você precisa instalar DTM dessa instrumentação inteligente na estação onde você install Pactware 5.0. Você pode obter o DTM para Krohne TT51 a partir do site krohne.
   4. Além disso, para o Pactware 5.0, por instalação padrão não instala o DTM específico que será usado para este exercício (EtherNet/IP COM adaptador DTM). Este COM DTM representará o cartão NIC da estação de gerenciamento de ativos.
   5. Esta é a arquitetura de estrutura de  DTM que vamos construir para esta solução

• 1. Abra o Pactware 5.0.
  2. No dispositivo HOST PC->Add device  vamos adicionar COMM DTM. Neste caso, o adaptador EtherNet/IP COM DTM será COMM DTM para esta arquitetura. Este DTM representará o adaptador de rede da estação Pactware ou o cartão de interface de rede da estação Pactware. Portanto, certifique-se de que seu PC host esteja na mesma rede mais tarde com o gateway DTM, que é o módulo AHI DTM.

Escolha: Adaptador EtherNet/IP Comm .

Certifique-se de configurar o adaptador de comunicação EtherNet/IP com a configuração correta do endereço host

Usaremos a função de varredura topologia do Pactware. Esta função é útil para construir nossa arquitetura de árvore DTM.

Na guia “Scan”, selecione o intervalo de varredura de IPs e coloque o endereço inicial e o endereço final. Você precisa colocar o intervalo correto com base na configuração de sua rede especialmente para a configuração de endereço IP do módulo AHI

Tente se conectar ao adaptador EtherNet/IP Comm

Depois de conectar com sucesso, o status da conexão ficará na cor verde. Em seguida, clique com o botão direito do mouse neste dispositivo e escolha “Topology Scan”

Clique no sinal azul iniciar para iniciar a varredura da rede. Ele irá escanear a faixa de endereço IP conforme definido acima. Após a varredura, ele mostrará os dispositivos e você poderá escolher o DTM correspondente de acordo com as informações do dispositivo. Neste caso, o BME AHI 0812 seria selecionado

O resultado será algo como abaixo:

Certifique-se de que a conexão HART para este DTM será o mestre principal.

No Módulo DTM do módulo AHI , você pode fazer o mesmo processo de escanear a topologia.

E clique em iniciar o botão de sinal azul

Por exemplo, se o canal 0 do módulo AHI estiver conectado com Krohne TT51, você pode vincular o DTM de Krohne TT51 ao canal correto do módulo AHI. O resultado será algo assim.

Clicando duas vezes naquele TT51 DTM, você pode alterar a configuração desse TT51. Por exemplo, configuraremos QV como temperatura do dispositivo

Depois de terminar a configuração, você pode tentar se conectar ao dispositivo HART TT51 e transferir a configuração para o dispositivo “Store to Device”. Estamos em fim fazendo a  função de configuração remota a partir de software de gerenciamento de ativos

Testando o sistema

Testes no lado do controlador

Você pode criar uma Animation Table para canal que está conectado ao módulo TT51, você pode verificar o valor da variável SV. Ele deve ter o valor da “temperatura do dispositivo” do sensor

Testes no lado do Pactware

Você pode se conectar ao TT51 e fazer alguma função de modificação de diagnóstico remoto e modificação de configuração. Toda a modificação do TT51 DTM não terá nenhum impacto no sistema de controle de execução (controlador e supervisão).