Manutenção de instrumentos de campo com redução de custos utilizando tecnologias HART e FDT/DTM
Introdução
Em busca de eficiência em um ambiente econômico não favorável os técnicos e gestores de manutenção que trabalham com plantas industriais precisam obter mais resultados da instrumentação de campo e sistemas existentes.
Entender e aproveitar todo o potencial de tecnologias existentes torna-se uma necessidade, pois usando-as de forma mais eficaz é possível diminuir gastos, por exemplo, através da análise das informações proporcionadas pela instrumentação inteligente e melhorando os procedimentos de manutenção executados diariamente.
Muitas plantas industriais ainda não migrarão sua instrumentação para novas tecnologias industriais completamente digitais disponíveis, como por exemplo, as redes industriais Profibus, Fieldbus, etc. Ou migrarão gradativamente, portanto mantendo grande parte da sua base de instrumentação de campo instalada, trocando-a ao longo dos anos.
Entretanto diminuir gastos se faz necessário nesse cenário adverso, portanto é preciso buscar e se aprofundar no uso de características dos instrumentos existentes que antes eram pouco acessadas e usá-las de forma efetiva para diminuir custos.
A seguir descrevo como o protocolo de comunicação HART (acrônimo derivado do Inglês Highway Addressable Remote Transducer) que está presente na maioria da instrumentação atualmente instalada e sua capacidade de diagnósticos aliada a software de configuração e manutenção baseado na tecnologia FDT/DTM podem ajudar na redução dos custos de manutenção.
Algumas formas de economizar com tecnologias existentes
Pode-se destacar os seguintes pontos a serem considerados para economizar utilizando tecnologias:
- Conhecer as tecnologias existentes em uma planta industrial e as tecnologias de fácil implementação;
- Utilizar um conjunto de ferramentas que possibilite a manutenção dos instrumentos de campo por meio de diagnósticos;
- Evitar esforços desnecessários com a ajuda de procedimentos de manutenção que utilizem os diagnósticos dos instrumentos de campo;
- Conhecer os diagnósticos disponíveis nos instrumentos de campo.
Nas próximas seções, descrevo cada um desses tópicos.
Conhecer as tecnologias existentes em uma planta industrial e as tecnologias de fácil implementação
Grande parte das plantas industriais atualmente trabalham com instrumentação de campo que utiliza o sinal de corrente 4–20mA e muitos desses instrumentos também possuem comunicação digital através do protocolo HART. HARTé um protcolo de comunicação bi-direcional que fornece acesso aos dados dos instrumentos de campo inteligentes. A comunicação ocorre entre dois dispositivos HART: um instrumento de campo inteligente e um sistema de controle ou monitoramento. Portanto há dois canais de comunicação simultâneos, um analógico, o outro digital.

Figura 1 — Procolo de Comunicação HART em sinal 4–20mA
O canal analógico é um sinal 4–20mA que comunica o valor medido primário (PV) em forma de um valor analógico de corrente (variando entre 4 a 20 mA) usando a fiação que fornece energia ao instrumento, esse sinal por exemplo pode representar o valor medido de pressão de um transmissor de pressão conectado ao processo industrial. Como se trata de um equipamento inteligente, ou seja micro-processado, outras informações estão disponíveis e são comunicadas em um sinal digital na mesma fiação de 4–20mA usada para comunicações analógicas. As informações digitais transmitidas podem ser informações de configuração do instrumento de campo, como por exemplo a escala de medição, os alarmes e sinais de falhas ou outras características especificas do instrumento.
Em resumo, HART é um protocolo de comunicação digital que existe em instrumentos 4–20mA que podem transmitir informações de configuração, monitoração, operação e manutenção do instrumento.
Uma vez confirmado que instrumento de campo possui protocolo HART é possível para o técnico de automação comunicar, analisar e visualizar as informações disponíveis no instrumento utilizando mais uma tecnologia que facilita o trabalho diário de configuração e manutenção dos instrumentos de campo. Ele irá obter todas as informações usando um ambiente com interface gráfica instalado em um computador com a tecnologia FDT/DTM:

Figura 2 — Ilustração dos modelo FDT/DTM de software
A tecnologia FDT/DTM em conjunto com um computador/notebook ou tablet e uma interface de comunicação HART possibilita acessos a todas as informações disponíveis no equipamento. O FDT e DTM são dois componentes de software onde o FDT permite acessar as informações contidas nos DTMs. O DTM é o componente que representa os instrumentos de campo, portanto cada instrumento de campo possui o seu arquivo de software DTM que contém todos os parâmetros, funções, interface do usuário e apresenta os recursos do instrumento através de uma exibição gráfica na tela do computador/notebook ou tablet. Abaixo é ilustrada uma “estação de trabalho” típica com o notebook, a interface de comunicação HART e o instrumento de campo que comunica em protocolo HART:

Figura 3 — Notebook (FDT/DTM) + Interface HART + Instrumento 4–20mA HART
Veja a seguir uma figura mostrando um sistema FDT já com um DTM de um transmissor de temperatura instalado com uma janela de configuração aberta:

Figura 4 — Exemplo da interface gráfica do DTM de um transmissor de temperatura
Em resumo, o FDT é qualquer aplicação que deseja acessar dispositivos ou equipamentos utilizando um ou mais DTMs. Pode-se dizer que o DTM é o “driver” do equipamento, instrumento ou dispositivo que permite a configuração e monitoramento das suas funções e características.
Concluindo portanto:
A tecnologia Hart permite acesso as informações dos instrumentos de campo e a tecnologia FDT/DTM aliada ao hardware necessário (computador/notebook/tablet + interface de comunicação) se torna uma ferramenta diária de configuração e manutenção com interface amigável. A tecnologia HART muito provavelmente já existe nos instrumentos de campo instalados na planta industrial, ou seja, não há necessidade de investimentos para obter essa tecnologia. A tecnologia FDT/DTM pode ser facilmente empregada como será demonstrado nas próximas seções.
Aos interessados em mais informações sobre FDT/DTM, no artigo “Configuração e manutenção de instrumentação de campo com tecnologia FDT/DTM e interfaces de comunicação” há mais detalhes sobre essa tecnologia.
Utilizar um conjunto de ferramentas que possibilite dar manutenção por meio de diagnósticos
Utilizando HART e FDT/DTM é possível fazer manutenção mais eficiente através dos diagnósticos que os instrumentos de campo inteligentes fornecem.
Essas duas tecnologias permitem, sem aumentar muito o custo com investimentos, uma melhor manutenção, usando um “kit de ferramentas de manutenção” como o apresentado na “Figura 3 — Notebook (FDT/DTM) + Interface Hart + Instrumento 4–20mA Hart” ou como os kits que permitem maior mobilidade usando tablets:

Figura 5–1 — Tablet (FDT/DTM) + Interface Hart + Instrumento 4–20mA Hart

Figura 5–2 — Tablet (FDT/DTM) + Interface Hart Bluetooth + Instrumento 4–20mA Hart
O custo de um software FDT pode ser zero, pois existem ferramentas que são disponibilizadas no mercado sem custo para o usuário e os DTMs dos instrumentos são disponibilizados pelos fabricantes também na maioria dos casos sem custo para o usuário final.
Existem outros softwares FDT cujo o custo dependerá de sua capacidade e número de tags e portanto o usuário pode optar por uma opção onde pagará um certo valor. Existe uma grande oferta de softwares para que o usuário escolha com diversos níveis de valores, podendo iniciar utilizando os softwares gratuitos no mercado.
É necessário o hardware composto de computador/notebook/tablet e a interface Hart com custos considerados relativamente baixos quando comparados com a possibilidade de funções disponibilizadas ou comparados a outras soluções de comunicadores de alto custo.
Uma planta industrial com um pequeno número de equipamentos pode se beneficiar da mesma forma que uma planta industrial com centenas de instrumentos com a mesma tecnologia. Com um desses kits acima já é possível acessar todo o potencial de informação e diagnósticos fornecidos pela instrumentação de campo existente.
Para montar um kit desses, portanto é necessário:
- Computador/Notebook/tablet conectado a interface de comunicação Hart;
- Fazer o download do software FDT;
- Fazer o download dos DTMs dos tipos de equipamentos existentes em sua industria;
- Instalar o FDT no Notebook/tablet;
- Instalar as DTMs no Notebook/tablet e integrá-las ao FDT.
Esse kit permitirá a conexão com instrumentos individualmente em uma bancada ou instrumentos conectados em um sistema (CLP, DCS, etc), possibilitando a leitura de todos os seus diagnósticos incluindo mensagens de falhas e alarmes.
Vale lembrar que o usuário deverá verificar na instrumentação existente quais instrumentos comunicam em HART e os seus respectivos DTMs. Além disso, mesmo se o fabricante não disponibilizar um DTM para o instrumento, existem DTMs universais que podem ser utilizados que irão acessar boa parte das funcionalidades do instrumento.
Portanto com um kit usando FDT/DTM é possível começar rapidamente e de forma simples a fazer configuração e manutenção. Unindo instrumentos de campo inteligentes com protocolo de comunicação HART e um kit FDT/DTM o acesso a instrumentação será efetiva e de grande ajuda aos técnicos que trabalham diariamente com configuração e manutenção.
Evitar esforços desnecessários com a ajuda de procedimentos de manutenção que utilizem os diagnósticos dos instrumentos de campo
Em plantas industriais mais antigas a estratégia de manutenção em grande parte é a reativa, ou seja, “consertar quando algo está quebrado”. Aumentando a frequência de idas desnecessárias ao campo até onde o instrumento está para a desinstalação do instrumento e instalação do seu substituto.
Isso pode ocorrer por falta de procedimentos de manutenção que levem em conta as informações dos instrumentos inteligentes como status, diagnósticos e alertas. As idas ao campo e reposições desnecessárias demandam tempo, material e outros recursos. Por isso é importante buscar alternativas que evitem o hábito que levam a esforços desnecessários.
Geralmente os operadores de processo percebem algum distúrbio em uma leitura de um instrumento de campo ou comportamento irregular de um processo e reportam ao técnico de instrumentação. O primeiro impulso é ir verificar em campo o que acontece com o instrumento.
Um procedimento de manutenção poderia incluir a verificação das informações do instrumento, por exemplo, conectando a interface HART primeiramente ao painel de controle, ou em um painel de rearranjo e fazer uma análise prévia. A comunicação HART está presente em qualquer parte da fiação 4–20mA e facilita essa operação.

Figura 6— Diagnósticos HART através de Interface
Se no sistema já houver conectado um equipamento que é mestre HART, ainda sim é permitido conectar um segundo mestre HART na linha (no caso o kit de manutenção com interface HART). Portanto a conexão na linha 4–20mA não provocará nenhum distúrbio no sinal analógico para sistema de monitoração e controle.
Uma vez conectado é possível verificar os diagnósticos do instrumento e entender o que ele pode fornecer sobre si mesmo, o processo e seu ambiente.
A seguir uma lista de pontos possíveis que um procedimento poderia incluir para ser realizado:
- Acessar o equipamento utilizando o sistema FDT e entrar no DTM do instrumento que será analisado conectando em um painel de controle ou rearranjo ao invés de ir em campo e abrir o transmissor para se conectar;
- Verificar se há mensagens de alarmes como por exemplo limites excedidos da variável medida do instrumento;
- Verificar mensagens de status e diagnósticos de falha para saber se o instrumento “diz” o que está acontecendo com seus componentes, como por exemplo uma falha de sensor;
- Monitorar o valor de saída de corrente para ver se o valor está entre 4–20 mA ou está acima ou abaixo dessa faixa, como por exemplo valores de corrente de 3.9mA e 20.5mA indicam que a váriavel medida está saturada;
- Monitorar o valor de saída de corrente para ver se o valor está em 3.8mA ou 21mA que indica uma falha do instrumento;
- Monitorar o valor real medido para verificar se o instrumento está trabalhando em condições para as quais foi dimensionado. Existem situações onde o valor de corrente estará saturado em 3.9mA ou 20.5mA, ou seja, a corrente não estará mais correspondendo ao valor da variável medida, mas ainda sim é possível ler o valor real da medição através da leitura digital pelo protocolo Hart;
- Monitorar outra variáveis que o instrumento pode medir (no caso de instrumentos multivariáveis), como por exemplo a temperatura do processo em que está conectado ou a temperatura na placa eletrônica principal do instrumento, permitindo perceber valores que estejam fora do que se é esperado e detectando problemas com uma simples leitura dessas variáveis através do software FDT.
É importante ter conhecimento do manual do instrumento pois ele sugere o que pode estar errado e possíveis ações corretivas após análise dos diagnósticos.
Em resumo, os procedimentos de manutenção devem prever uma análise das informações fornecidas pelo instrumento inteligente (como por exemplo status, alarmes e diagnósticos) para que ações corretivas levem em consideração também como se encontra o instrumento.
Elaborar tal procedimento de manutenção e executá-lo só será efetivo com uma mudança de cultura dentro da planta industrial, pois muda-se o paradigma reativo para um paradigma que inclua a análise de diagnósticos e consequentemente uma resposta mais efetiva. Com as mudanças, será perceptível a redução de esforços desnecessários nas tarefas diárias de manutenção, além de enriquecer os técnicos com um maior conhecimento a respeito dos instrumentos que fazem parte da planta industrial.
Conhecimento dos diagnósticos disponíveis no instrumento de campo
Os instrumentos de campo HART fornecem informações de status e informações de diagnóstico. As informações de status básicas são informações incluídas e enviadas em cada mensagem comunicada ao sistema de monitoração por um instrumento de campo.
Os status permitem perceber se há erros ou situações inesperadas, as mensagens de status disponíveis são:

- Mau funcionamento do dispositivo de campo: informa que o transmissor tem uma falha de hardware ou de configuração
- Mudança de configuração: informa que um comando de escrita foi realizado
- Partida a frio: informa que o equipamento foi reenergizado.
- Mais status disponível: informa que existem mais informações disponíveis que podem ser lidos através de comando específico.
- Corrente de saída analógica fixa: informa que a corrente analógica está em modo constante.
- Saída analógica saturada: informa que o sensor está trabalhando fora da faixa de trabalho.
- Variável não primária fora de limites: informa que uma variável não primária está fora da faixa ou problema no sensor.
- Variável primária fora de limites: informa que a variável principal está fora da faixa ou problema no sensor.
Além do informado acima, os instrumentos HART podem fornecer mais diagnósticos e alertas, portanto aumentando a capacidade de quem faz manutenção de entender o que está acontecendo.
Outros diagnósticos e alertas são incorporados nos instrumentos HART que são considerados mais avançados e podem ajudar a detectar problemas bem específicos ou ajudar na manutenção preventiva.
Por exemplo, alguns transmissores de pressão são capazes de verificar se há entupimento nas linhas de impulso, portanto detectando um problema bem específico e avançado.
Posicionadores podem detectar se há pressão no atuador de uma válvula, saber se a válvula está se movendo vagarosamente ou emperrada, ou informar quando será necessário fazer uma próxima manutenção através de alertas de performance da válvula.
Não é objetivo desse artigo listar todos os status, diagnósticos, alertas e informações avançadas, mas sim mostrar que um instrumento existente hoje pode conter mais informações sobre o que está acontecendo com ele do que geralmente procura-se. Nesse caso o protocolo Hart possibilita se aprofundar nessas informações e usá-las para diminuir os custos de manutenção.
Portanto utilizar a tecnologia existente em sua planta hoje é ponto de partida para redução de custos em manutenção, bastando apenas ter as ferramentas para visualizar os diagnósticos e conhecimento dos instrumentos instalados, conhecimento esse que é disponibilizado pelos fabricantes. Dessa forma evita-se investimentos altos ou mudanças drásticas na estrutura e filosofias da planta industrial.
Conclusão
HART é a tecnologia mais utilizada atualmente nas redes de automação industrial, instalada em mais de 30 milhões de dispositivos em todo mundo, oferecendo uma solução confiável e duradoura.
Segundo o FDT Group mais de 8000 equipamentos suportam DTMs, tornando-se o padrão mais adotado para a integração de dispositivos multi-fornecedores e multi-rede em sistemas de automação industrial.
Evitando-se grandes investimentos e mudanças estruturalmente grandes, é possível melhorar a forma como se é feita manutenção da instrumentação existente utilizando o protocolo de comunicação HART e a tecnologia FDT.
HART já está disponível na maioria dos equipamentos instalados em sua planta industrial e a tecnologia FDT/DTM pode ser implementada com um kit simples de hardware como foi apresentado.
É importante que os profissionais de manutenção criem procedimentos de manutenção que estejam alinhados com essa ideia.
Os profissionais de manutenção necessitam buscar os status, diagnósticos e alertas para ajudar em suas conclusões e ações a serem tomadas para corrigir o problema.
Os principais resultados esperados adotando essas ferramentas e práticas são:
- Diminuir as idas em campo para verificação e manutenção de instrumentos;
- Evitar reposições desnecessárias;
- Uniformização de procedimentos;
- Aumento do conhecimento da instrumentação instalada e tomada de decisões com informação adequada.
Os itens acima refletirão em menos tempo e recursos utilizados, portanto fazendo economia para a planta industrial no que tange aos gastos com manutenção.
Além do que foi apresentado no artigo, existe a possibilidade de monitoramento contínuo do sinal digital HART o que melhoria na prevenção de problemas. Para isso seria necessário um multiplexador HART conectado a todas as entradas e saídas do sistema. Esse tipo de solução exige mais hardware e modificações no sistema existente, mas seria uma alternativa para usar a tecnologia HART disponível na instrumentação de campo existente.
E por último para realmente obter um benefício total do que foi apresentado, os profissionais que trabalham com configuração e manutenção devem estar treinados e buscar sempre usar todo o poder de tais ferramentas e procedimentos.
Autor:
Flávio Souza — Engenheiro de Aplicações — Agille Automation — Empresa que fornece serviços e produtos de automação, incluindo interfaces de comunicação para Hart e Profibus. Podemos fornecer serviços para instalar o software FDT e DTMs, os tablets para instalação dos mesmos e serviços de suporte nos produtos ajudando aos nossos clientes a utilizar a tecnologia FDT/DTM.
Clientes que necessitem propostas de interfaces de comunicação entre em contato com info@agilleautomaiton.com.
Figuras:
Cortesia Vivace Process Instruments e FieldComm Group.
Referências:
https://www.fieldcommgroup.org/sites/default/files/technologies/hart/ApplicationGuide_r7.1.pdf
https://fieldcommgroup.org/technologies/hart/hart-technology
http://www.vivaceinstruments.com.br/pt/artigo/hart-simples-e-facil-com-mobilidade
http://www.vivaceinstruments.com.br/admin/public/img/manual-vtt10-fh-pt.pdf
http://www.romilly.co.uk/hartvars.htm
http://www.cbeng.com/resources/whitepaper/BasicsofHART.pdf
http://www.cbeng.com/resources/whitepaper/hart-reliability.pdf
Responsabilidade e Melhorias:
O conteúdo deste artigo foi elaborado cuidadosamente. Porém erros podem ocorrer e melhorias podem ser necessárias, portanto sugestões podem ser enviadas para info@agilleautomation.com.
