Em uma planta petroquímica operando próxima à capacidade total, o equilíbrio das variáveis de processo determina não apenas a qualidade do produto, mas a integridade de toda a instalação.
Durante um turno de rotina, a malha de controle de vazão de uma linha de alimentação de reagentes altamente corrosivos começa a apresentar pequenas oscilações. Na sala de controle, os operadores observam apenas o comportamento da variável de processo transmitida pela malha de corrente. Para o sistema de controle, os desvios parecem variações comuns, facilmente compensadas pela válvula reguladora de fluxo.
O que a equipe não consegue ver é o que acontece no campo: o posicionador inteligente da válvula está sofrendo desgaste progressivo nos componentes internos e um vazamento na linha de ar. O dispositivo possui tecnologia de autodiagnostico e está gerando alarmes de falha iminente, mas essas informações permanecem inacessíveis aos sistemas de nível superior. O sinal analógico transmite uma única variável, mantendo o diagnóstico de saúde do ativo isolado no chão de fábrica.
A consequência chega durante a madrugada: um travamento abrupto da válvula interrompe o fluxo do reagente. O intertravamento automático de segurança aciona a parada total de emergência. O desligamento forçado causa um efeito em cadeia, descompressão térmica, queima de gases de segurança e mobilização de equipes de manutenção para a substituição do atuador sob condições de alto risco operacional.
Neste artigo, você vai descobrir como impedir que situações como essa cheguem a acontecer na sua operação.
O desafio da integração dos instrumentos de campo na Indústria 4.0
A razão pela qual a equipe de manutenção da planta não conseguiu prever a quebra da válvula reside em um problema tecnológico que afeta mais de 80% das instalações industriais legadas pelo mundo: os dados isolados.
Embora mais de 42% das paradas não planejadas aconteçam por causa de falhas diretas nos equipamentos, e cerca de 60% dessas falhas possam ser evitadas através de estratégias de manutenção preditiva, a maior parte das informações diagnósticas necessárias costuma ficar inacessível na camada física da rede de instrumentação. Ou seja, o obstáculo não é a falta de dados, é a incapacidade de acessá-los.
O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) foi desenvolvido exatamente para superar essa barreira. Ele utiliza modulação por chaveamento de frequência (FSK) para sobrepor um sinal digital às linhas analógicas tradicionais de corrente de 4-20 mA usando 1.200 Hz para o valor binário “1” e 2.200 Hz para o “0”. Essa arquitetura bidirecional permite que informações de TAG, calibração e autodiagnostico trafeguem simultaneamente com o sinal de controle analógico, sem degradar nem introduzir ruídos na medição primária.
O gargalo surge porque os módulos convencionais de entrada e saída (E/S) dos CLPs foram projetados de forma analógica dedicada. Eles realizam a leitura apenas da corrente média contínua de 4-20mA, usando um filtro passa-baixa que descarta o sinal FSK de alta frequência que carrega o diagnóstico digital dos instrumentos.
E por muito tempo, extrair informações do protocolo HART em topologias tradicionais exigiu uma infraestrutura pesada e custosa: grandes bastidores adicionais de hardware multiplexador dedicados, conversores de sinal RS485 para Ethernet TCP/IP e extensas malhas de fiação analógica secundária nos painéis de controle. Além do custo elevado de aquisição e instalação, isso demandava um grande esforço de engenharia para configuração e comissionamento, tornando a extração de dados diagnósticos um projeto por si só, muitas vezes inviável para plantas de médio porte.
Abaixo, veja ilustrada a diferença de capacidade de dados e acessibilidade diagnóstica entre as soluções de conexão de campo tradicionais e as redes digitais:
| Tipo de comunicação | Variáveis por canal físico | Taxa de dados | Nível do diagnóstico | Risco de parada por falha |
| Laço de corrente 4-20mA | Apenas uma variável de processo primária (V.P.). | Sem transmissão digital (sinal analógico contínuo). | Baixo, apenas infomação de laço de corrente aberto, sendo necessário testes manuais em campo para diagnósticos avançados. | Muito alto; sem detecção de desgaste, acontecem falhas de sensor ou travamentos. |
| HART | V.P. analógica + até 4 variáveis secundárias digitais via comandos periódicos. | 1200 bps utilizando modulação FSK analógica. | Médio; restrito a softwares proprietários ou ferramentas locais. | Médio-Alto; embora existam dados diagnósticos, a extração é lenta e atrasa a tomada de decisão. |
| Rede Ethernet industrial (HART-IP / APL) | Variáveis de processo ilimitadas, diagnósticos preditivos avançados, status NAMUR e calibração. | Comunicação com um mesmo instrumento permanece a mesma. | Completo se o dado estiver armazenado em buffer; via redes IP abertas. | Muito baixo; detecção em tempo real e automação de alertas preditivos que reduzem falhas em até 75%. |
A transição para o monitoramento via protocolo HART-IP
Com o avanço da conectividade voltada à Indústria 4.0, a barreira entre a automação do chão de fábrica e os sistemas supervisores precisou ser derrubada. Nesse contexto, a especificação aberta do HART-IP se tornou a tecnologia de referência para conectar instrumentos de campo aos sistemas modernos de gestão de ativos.
Ao encapsular os comandos estruturados do protocolo HART diretamente em pacotes IP, o HART-IP elimina a necessidade de conversores físicos proprietários entre a camada de gestão de ativos e o sistema de automação. A partir do controlador, a informação diagnóstica passa a trafegar sobre a mesma infraestrutura Ethernet da planta até os sistemas supervisórios, sem exigir cabeamento secundário dedicado. Assim, surgem oportunidades de otimização e confiabilidade:
- – Comissionamento automatizado. A configuração inicial de transmissores inteligentes em campo, que antes consumia dias de trabalho, cai para minutos por meio de parametrizações remotas em lote via rede IP.
- – Monitoramento de saúde de válvulas e atuadores. Rotinas analíticas remotas, como o Teste de Curso Parcial (PST), podem ser executadas sem interferir nas linhas de alimentação e sem expor equipes de campo a áreas de alto risco.
- – Gestão integrada de ativos. Sistemas acessam diretamente as variáveis secundárias e logs de eventos gerados pelos sensores de campo, possibilitando o agendamento de manutenções com base no histórico de funcionamento e desgaste de cada ativo.
- – Cibersegurança integrada. Alinhado às diretrizes da norma IEC 62443, o protocolo HART-IP possui criptografia TLS/DTLS, logs integrados de auditoria e monitoramento de eventos via syslog, garantindo que a abertura da rede não comprometa a segurança da operação.
Práticas para neutralizar os gargalos nas redes industriais
Garantir que diagnósticos preditivos e variáveis secundárias cheguem com integridade e sem atrasos aos sistemas supervisores exige estratégia. A simples digitalização das informações analógicas não elimina os desafios de colisão de pacotes de dados, ruídos eletromagnéticos ou falhas mecânicas nas linhas de comunicação. Para isso, é necessário implementar algumas boas práticas, tais como:
- – Fazer a correta gestão de acessos e na contenção de conflitos de mestre (master contention). Um laço de corrente convencional de 4-20 mA suporta, em paralelo, apenas dois mestres HART: o primário, tipicamente o CLP responsável pelo controle em tempo real, e o secundário, como softwares gerenciadores de ativos ou ferramentas de calibração. Quando múltiplos hosts ou barramentos de varredura acessam o mesmo instrumento de forma desordenada, o resultado são colisões dos dados digitais. As variáveis secundárias de diagnóstico, como percentual de viagem ou temperatura interna do dispositivo, são as primeiras a ser corrompidas ou perdidas, pois os drivers prioritários dos cartões de E/S privilegiam a medição de processo principal via comandos curtos sobre as requisições diagnósticas mais extensas.
- – Seleção inteligente do protocolo de transporte de dados. O protocolo HART-IP opera nativamente sobre redes IP estruturadas, utilizando transporte TCP ou UDP. Em aplicações críticas com tolerância zero a falhas ou pacotes ausentes, o TCP é a escolha correta. Seus mecanismos internos de handshake, sequenciamento e retransmissão automática de pacotes corrompidos garantem que qualquer dado bloqueado seja reenviado de forma transparente ao sistema receptor, preservando a integridade lógica do banco de dados preditivos.
- – Investir na proteção contra interferências eletromagnéticas. Os ambientes industriais são hostis por natureza: inversores de frequência, reatores e motores de grande escala geram interferências eletromagnéticas (EMI) intensas. Cabos analógicos ou Ethernet com blindagem fraca ou falhas de balanceamento sofrem perturbações que corrompem bits isolados de comunicação, invalidando pacotes de dados inteiros no cálculo do receptor. Uma mitigação robusta exige cabos de par trançado com blindagem individual, aterramento da blindagem em apenas uma extremidade, para evitar loops de terra e afastamento físico adequado em relação aos cabos de alta potência.
- – Projetar redes redundantes para resiliência física. A disponibilidade contínua da comunicação é garantida pelo projeto de redes em anel de alta velocidade, como o Device Level Ring (DLR) ou topologias de anéis Ethernet convergentes. Nessas arquiteturas, o rompimento de um cabo por acidente em campo não interrompe o tráfego HART-IP: o chaveamento para rotas lógicas secundárias ocorre em milissegundos, sem perda de um único registro de diagnóstico.
Como funciona a solução gateway HART-IP Altus
Vale destacar que, na prática, a maior parte da instrumentação de campo instalada hoje permanece cabeada em 4-20 mA convencional. A virada para HART-IP normalmente não substitui essa fiação, e sim acontece a partir do controlador ou de um gateway dedicado, que consolida os dados HART vindos do barramento de campo e os disponibiliza em rede IP para os sistemas de gestão de ativos.
Diante dos prejuízos gerados pela indisponibilidade inesperada de válvulas reguladoras e da necessidade crescente de extrair telemetria diagnóstica da instrumentação de campo, como no cenário mencionado no início deste artigo, a Altus desenvolveu uma resposta a esse desafio: o AX9000 Gateway HART-IP, integrado ao software ArchiteX.
Leia mais: ArchiteX: um novo software para otimizar a gestão de ativos industriais
O AX9000 é uma solução baseada em software, projetada para estabelecer conectividade transparente entre dispositivos HART e os sistemas de gestão de ativos e diagnóstico remoto que operam com o protocolo HART-IP. Ao contrário das abordagens tradicionais de mercado, ele não requer nenhum hardware adicional no painel elétrico de automação, executando diretamente em uma máquina física dedicada ou em um servidor virtualizado conectado à rede Ethernet industrial da UCP. Isso elimina custos com cabos extras, fusíveis de proteção e mão de obra de montagem.
Na arquitetura Altus, os instrumentos HART permanecem conectados via cartões de entrada e saída (como NX6014 e NX6134) às remotas PROFIBUS (NX5110, NX5210, PO5064, PO5065), que por sua vez se comunicam com a UCP. É a partir da UCP, através da rede Ethernet já existente, que o AX9000 disponibiliza os dados HART em formato HART-IP para os sistemas de gestão de ativos e SCADA.
O gateway é distribuído nativamente junto com o instalador do ArchiteX (AX8500), oferecendo acesso a um conjunto centralizado de ferramentas para configuração, diagnóstico remoto e monitoramento de instrumentos HART de múltiplos fabricantes, tudo a partir de uma única plataforma web.
Arquitetura do software e interface intuitiva
O AX9000 disponibiliza uma interface gráfica web integrada, acessível por qualquer navegador conectado com segurança à rede interna da planta. A partir dela, é possível configurar e monitorar todo o ecossistema de dados por meio de quatro abas funcionais:
Informação: apresenta a versão ativa do gateway, o estado de operação do sistema em tempo real e o número exato de dispositivos HART identificados nas redes de campo.
Configuração: reúne os parâmetros lógicos do servidor, incluindo a definição do Long Tag transmitido aos softwares clientes, a habilitação do serviço de registros e envio de alarmes a servidores Syslog remotos e o gerenciamento das chaves de licença.
HART: ambiente onde é configurada a topologia das remotas de barramento PROFIBUS e das placas de E/S analógicas que hospedam a instrumentação inteligente de campo. O gateway permite a adição manual dessas remotas e cartões de controle ou o acionamento do recurso Scan de Topologia, que varre automaticamente todas as placas e remotas de canais HART parametrizadas no projeto de controle da planta, eliminando erros manuais de mapeamento.
Status: painel completo com o estado de comunicação, fabricante, tipo e versão de protocolo HART de cada instrumento detectado no barramento. Nessa tela é possível acionar varreduras manuais ou configurar rotinas de scan automático periódico em intervalos programáveis, garantindo a atualização contínua das variáveis preditivas nos sistemas supervisores de ativos.
E além disso, o licenciamento do AX9000 é ativado em formato digital e dimensionado sob demanda: licenças adicionais são adquiridas exclusivamente para a quantidade de instrumentos conectados e mapeados na topologia ativa do gateway, evitando desperdícios de Capex.
Ao eliminar a necessidade de racks secundários analógicos, a solução reduz a complexidade de expansão da planta e unifica a comunicação diagnóstica em redes de alta confiabilidade. Esse tipo de arquitetura representa a estrutura ideal para indústrias que buscam erradicar as paradas não planejadas e maximizar a disponibilidade de seus ativos críticos na era da automação inteligente.
