Um estudo da Solomon publicado em 2006 com pesquisa de campo realizado em torno de 400 unidades de processo de refinarias existentes "2006 World Refining APC / Automation Performance Analysis" indicava que 87 % das plantas possuíam instrumentação convencional 4-20 MA, 10 % com instrumentação Hart e apenas as unidades com tecnologia FF e Profibus apresentavam valores marginais em torno de 0,1 %. Este retrato é antigo e foi obtido no início do crescimento da utilização das tecnologias dos protocolos puramente digitais em novas plantas e revamps de unidades existentes. Um levantamento entre os protocolos, realizado este ano pela IMS Research / IHS Electronics & Media, aponta crescimento maior da tecnologia Ethernet.
Comparada a soluções analógicas e digitais como Fieldbus Foundation e Profibus, a tecnologia Ethernet parece dar maior performance. Com mais de 500 milhões de pontos instalados no mundo corporativo, é mais fácil de ser aceita e de ser entendida, mantida e operada. Mas, na primeira camada da automação, não parece ser prático utilizá-la: é não determinística e de muitas colisões, o que praticamente a elimina para ser utilizada em processos que demandem respostas em tempo real; não utiliza a largura de banda industrial de forma eficiente; a universalidade da tecnologia pode levar os usuários a tentar fazer coisas que poderiam gerar problemas de segurança; os conectores para o corporativo não atendem as exigências físicas das aplicações industriais. Mas a tecnologia Ethernet tem vantagens como oferecer uma rede com integração homogênea com a Internet e a intranet; IP- endereçamento e TCP -transporte são obrigatórios; com dispositivos industriais adequados e inteligentes, oferece maior largura de banda; comunicação mais rápida em tempo real e sincronização para aplicações exigentes de controle; é fácil de integrar com as redes do corporativo; a atualização é feita online, bem como a configuração – que pode ser remota – e o tratamento de falhas; o mercado é grande  e torna produtos Ethernet amplamente disponíveis; usa facilmente pontos de acesso padrão, roteadores, switches, hubs, cabos e fibra óptica .
A intimidade com essa tecnologia por parte dos usuários é tão grande que logo foi abraçada pelos organismos que representam os outros protocolos como a Associação Profibus, a ODVA – Open Devicent Vendor Association, CANopen, Modbus, FF... trabalhar com a tecnologia Ethernet faz esses sistemas muito mais interoperáveis – tanto que a maioria das empresas se não usa diretamente o Ethernet, se utiliza dos níveis mais altos dos outros protocolos, baseados em Ethernet. Então, hoje, falar de Ethernet Industrial é falar de muitas tecnologias ao mesmo tempo, com capacidades e custos diferentes: o Profinet é o standard para Ethernet aberto da Associação Profibus  - que assegura ter mais de dois milhões de instrumentos instalados e que mais engenheiros buscam a certificação em Profinet que em Profibus; o Ethernet IP, suportado pela ODVA, Rockwell e ControlNet International; O Modbus-TCP permite que o Modbus trabalhe sobre redes Ethernet em TCP/IP; o Ethernet PowerLink combina CANopen com operações determinísticas em tempo real; o EtherCat já provê performance em tempo real e trabalha com qualquer topologia, seja com par trançado ou fibra óptica. Mesmo instrumentos Sercos III trabalham bem dividindo estrutura com Ethernet IP. Mas a possibilidade de trabalhar com muitos protocolos aumenta a insegurança dos usuários, o que demanda mais treinamento.
Esse cenário torna mais claro o levantamento da IMS Research, que afirma que a tecnologia Ethernet é a que vem crescendo mais rapidamente e, ainda que os outros protocolos detenham 73% do mercado, deve se tornar dominante até 2020 - cerca de 40% das aplicações industriais de Ethernet englobam Ethernet TCP/IP (18%), Ethernet IP (95), Modbus TCP/IP (18%), Profinet (4%), Powerlink (5%) e Sercos III (1%).
A Fieldbus Foundation não vê a tecnologia Ethernet invadindo o ambiente industrial no nível dos protocolos de comunicação principalmente porque o nível 1 demanda energia e, mesmo que exista a PoE – Power over Ethernet, ela foi desenhado para ambientes de comunicação, não industriais. Existem também as áreas classificadas, que tornam o uso de Ethernet mais complicado. Os diagnósticos e o controle no campo são outras vantagens dos protocolos industriais. E o Ethernet tem o limite de 100 metros e ainda que se possa aumentar isso com fibra óptica, a instalação fica mais complicada. Mas a própria FF aponta as vantagens do seu Ethernet (FF HSE), desenhado para integração de instrumentos, sistemas e corporativo e lida bem com aplicações que vão do processo avançado à batelada e incluem sinais discretos, híbridos.
A Associação Profibus já vai diretor ao ponto: se existem instrumentos e suporte em Ethernet, use-os. O Internet Industrial é mais rápido, pode trabalhar com wireless e em muitas topologias; a sua largura de banda é maior que a dos outros protocolos, é de fácil integração. Então, a posição da Associação acaba sendo “se você trabalha com Profibus, continue com ele; se está precisando de novas capacidades, use Profinet”.
Então, quando se fala em Ethernet é preciso ser bem específico porque esse nome já é usado para uma camada física de alguns protocolos. Muitos instrumentos recém lançados já trazem uma porta Ethernet multi protocolos para integrar                                                                                                               qualquer outro “bus”. Portanto, as comparações não podem ser feitas entre os protocolos e a tecnologia Ethernet. Jonas Berge, Diretor de tecnologia aplicada da Emerson Process Management em Singapura, disseca esse problema para o Fieldbus começando por estabelecer que existem duas classes distintas de fieldbus: a H1 e a H2 – esta última sim, pode sentir investidas da tecnologia Ethernet. A H2 é usada no nível 1-1/2 do modelo de referência para conectar I/Os remotos, PLCs, CCMs, variadores de velocidade, motor starters e wireless gateways a SDCDs. E aí pode-se trabalhar com devicenet, Modbus RTU, Profibus DP e mesmo em Ethernet IP, Modbus TCP, Profinet.
Já a H1 é usada no nível mais baixo para ligar sensores, transmissores e posicionadores, atuadores e válvulas ao SDCD. E podem se comparar nesse nível H1, Profibus PA, Devicenet, Asi, IOlink e Componet. Nesse nível H1 o FF está tomando lugar do 4-20mA e sinais on/off onde a tecnologia Ethernet não pode ser utilizada.
Então, pode-se dizer que H1 e Ethernet se complementam numa arquitetura de controle como Ethernet e USB num computador bem como Wi-Fi e o Bluetooth – porque não podem fazem tudo!  
Para Jonas Berge, a indústria não pode seguir usando o 4-20mA e sinais on/off porque as plantas precisam de mais sensores para alimentar o paradigma do Big data mas também para tornar possível e confiável a informação em tempo real, a conservação de energia, etc. o Fieldbus H1 será utilizado para gerar mais dados vindos do campo e isso aumentará o uso da tecnologia Ethernet nos níveis superiores.

Fonte: Jonas Berge

Já ficou provado que Fieldbus sai mais barato do que I/O remota - no tempo em que os instrumentos Fieldbus e os equipamentos auxiliares (fontes, caixas de junção) eram muito mais caros do que convencional. Mas ainda hoje existe uma dúvida muito comum na disputa por espaço entre Hart e Foundation: se usar Smart I/O reduzindo o painel de rearranjo a vantagem do FF fica reduzida? Em princípio, se considerarmos só economia de instalação, o Smart IO elimina o armário de rearranjo, diminuindo um pouco a diferença de custo de instalação - aí ele fica um pouco mais perto do Fieldbus. Se instalado no campo, um grupo de I/Os pode ser levado para o sistema de controle através de dois cabos de Ethernet (redundância). Mas como não é possível uma longa distância entre o I/O e o sistema de controle com Ethernet com fios (máxima distância é 100 m; mais que isso requer switches), é preferível utilizar fibra. Então as pessoas dizem que fica comparável com Fieldbus porque só é necessário cabo(s) Ethernet entre os armários de campo e o Sistema de Controle. Mas o que eles não mencionam é que os I/Os têm que estar em armários climatizados, com um excelente sistema de terra, que exigem alimentação UPS local, o que torna a manutenção mais cara. Ligar Ethernet no campo requer cuidados especiais. Aí o custo fica muito maior do que o alegado e o custo de operação/manutenção sai muito maior.
Na parte operacional, o Smart I/O bate o I/O convencional em termos de simplificação de projeto, mas fica atrás de Fieldbus nesse ponto também. O Smart I/O bate o convencional em termos de velocidade de comunicação com instrumentos Hart. Os cartões convencionais têm um Hart modem para 8 ou 16 entradas ou saídas. Isso significa que só dá para falar com uma entrada por vez. Hart tipicamente só permite duas mensagens por segundo. Se o cartão tem só uma entrada, então se obtêm duas atualizações Hart por segundo. Mas se todas as 8 entradas forem utilizadas, o tempo entre atualizações vai para 4 segundos. Na verdade mais do que isso, pois existem outros atrasos no processo de multiplexar.  O Smart I/O tem um modem por entrada ou saída, o que faz que a atualização Hart seja mais rápida. Importante enfatizar que tanto o Smart I/O como o I/O convencional lê o 4-20 mA e utiliza a informação do range do transmissor para converter o sinal analógico em digital com uma frequência muito maior do que Hart. Alguns fornecedores leem o 4-20 mA 50 vezes por segundo e outros 20, e por ai afora. E estas leituras passam por um filtro, passando a informação para o Controlador com uma frequência adequada a estratégia de controle sendo utilizada.
Enfim, o Smart I/O acessa a informação digital do transmissor a cada 0.5 segundo, mas o intervalo entre atualizações não é constante, dada a característica do protocolo Hart. O dado digital (não estou me referindo a PV obtida do sinal analógico) não é bom para utilização em controle. No Fieldbus são possíveis atualizações de forma determinística, a intervalos precisamente regulares, a cada 100 ms.
O que se alega é que o Smart IP pode acessar o diagnóstico via Hart de maneira mais eficiente do que os I/O convencionais, o que é verdade, daí a aproximação com Fieldbus, mas outro problema que as pessoas esquecem é que a sensibilidade do Hart a ruído é muito maior.  E as plantas de hoje trabalham com um nível de ruído elétrico muito maior do que as do passado. Motores com maior potência, uso de Variadores de Frequência, comunicação por rádio, celulares, WIFI etc. A comunicação Hart acaba sendo desligada devido a inundação de alarmes de comunicação.
O Smart I/O traz uma grande vantagem para plantas que estão sendo modernizadas na área do sistema de controle, mas o cliente não quer se desfazer da instrumentação de campo - ou se o projeto é 4-20mA. John Rezabek, que representa os usuários na Fieldbus Foundation, por exemplo, diz que jamais colocaria controle em remote IO.
A maior base instalada da indústria brasileira ainda é 4-20mA. A migração para novas tecnologias também é um fato. Como os usuários veem isso no dia a dia? Jorge Orestes Gomes Pereira, engenheiro de equipamentos sênior, consultor da Petrobras lotado no Comperj, com quase 30 anos de experiência concorda: a maior base instalada é de instrumentação baseada em 4-20 mA e com parcela significativa de 4-20 mA com Hart. “O protocolo Hart tem estrutura suficiente para prover os diagnósticos dos instrumentos e sempre foi alternativa real aos protocolos puramente digitais.  O Modbus é bastante utilizado na integração entre PLCs, totalizadores de vazão, cromatógrafos e SDCDs.  Quanto ao AsI, é um protocolo para sensores e é aplicado em linha de produção na manufatura, não sendo comum encontrar em ambiente de refino, por exemplo. Já os protocolos Foundation Fieldbus e Profibuses PA e DP são robustos e pelo fato de terem entidades que os mantem, garantem as atualizações, dão suporte técnico, atuam na divulgação e capacitação de profissionais, tendo patrocinadores e membros que representam o que há de melhor em protocolos puramente digitais”.

Reunião de experts

Durante o Encontro de usuários da Emerson (Exchange 2013), alguns dos maiores especialistas em FF lotaram salas por duas vezes para tirar dúvidas e rever tecnologias. O painel The New Generation of Foundation Fieldbus Solutions foi apresentado por John Rezabek (especialista em controle de processo, atualmente na Ashland), Alan Dewey (gerente de produto da Emerson), Jonas Berge (diretor de tecnologia aplicada), Rong Gul (expert da Shell), Klaus Erni (gerente de marketing para DeltaV - Emerson) e mestre Marcos Peluso (Distingued Technologist) e busca encaminhar algumas questões críticas, verdadeiros pontos de sofrimento para os usuários de FF.
John Rezabek discutiu um dos pontos levantados, de que alguns hosts não suportavam o controle no campo e o número de instrumentos FF por segmento era limitado. Ele lembrou que agora os testes e o registro para hosts ajudam nessa questão especialmente se o usuário especificar as capacidades que precisa, sem esquecer que 61a e 61b são mandatórias A funcionalidade que agora é mandatória estabelece o critério mínimo para o suporte de execução de controle nos instrumentos de campo (configuração do controle, visualização do cronograma etc)
Antes, muitos faziam o controle no host e não exploravam ou não podiam explorar as capacidades de controle do FF; os cartões de Fieldbus dos sistemas de controle do passado realmente tinham limitações no número de conexões entre blocos que eram permitidas; os blocos de função não eram rápidos o suficiente – especialmente o PID para válvulas. Mas agora os blocos de função estão mais rápidos, permitindo execução de malhas de controle a 125 ms. O controle nos instrumentos de campo, além de oferecer integridade de malha e maior confiabilidade de controle, reduz a variabilidade de controle em mais de 40%.
Klaus Erni frisou que, se antes os diagnósticos entre os diferentes tipos de instrumentos eram inconsistentes e jorravam dados para o operador, depois da harmonização das propriedades de diagnósticos implantadas com a norma Namur 107, isso foi bem encaminhado. A Fieldbus Foundation incorporou as recomendações da Namur nas suas especificações e exige que novos instrumentos e sistemas suportem esta funcionalidade.  
Explicou também que no passado, as necessidades de energia e limitações do FF encareciam a implementação, diminuía o retorno do investimento tornava a fiação no armário dos cartões do sistema mais complexa. E a complexidade aumentava se o usuário decidisse incluir cartões de diagnóstico para camada física. A complexidade foi eliminada e o custo foi reduzido com a incorporação da fonte de alimentação, condicionador de sinal e diagnósticos no cartão Fieldbus. Com isso a área no painel e drasticamente reduzida. E com menos conexões, há uma confiabilidade maior.
Rong Gul falou sobre as dificuldades para substituir um instrumento no DCS – antes, eram necessários muitos clicks para navegar sobre as várias etapas do processo. O processo é particularmente complexo se o instrumento que está sendo substituído e o substituto são de revisões diferentes. As novas regras da Fieldbus Foundation requerem que instrumentos com uma nova revisão sejam compatíveis com versões anteriores - um novo parâmetro (compatibility_rev) que simplesmente declara a compatibilidade do instrumento com as versões anteriores. Por exemplo, um instrumento versão 5 pode declarar que é compatível com as versões 3 e 4. Isso indica que os arquivos da versão 4 e até da 3 podem ser utilizadas para este instrumento, simplificando o processo de substituição.  Em Fieldbus existem muitos parâmetros que possibilitam toda funcionalidade e flexibilidade que torna os instrumentos mais uteis, mas muitas vezes o usuário não está familiarizado com a tecnologia e ignora estes parâmetros. E mesmo os parâmetros mais populares devem ser configurados propriamente. Antes, era muito difícil saber quais parâmetros precisavam ser configurados? E com quais valores? Configurar todos os instrumentos, um por um, levava tempo e gerava erros; verificar se tudo estava configurado corretamente era um processo exaustivo. Agora, com os device templates esses processos ficaram mais fáceis porque cada template vem com todos parâmetros configurados com valores operacionais, facilitando a configuração pelo usuário. E o usuário pode aplicar estes templates a vários instrumentos do mesmo tipo. Ele ressaltou ainda que os templates FF gerenciam com sucesso o grande volume de dados. O uso de templates reduz em mais de 80% o tempo para configurar os instrumentos, e também reduz o tempo de comissionamento, pois a chance de mensagens de erro é praticamente eliminada.
Dewey discutiu o uso de parelhos móveis e handhelds no campo ressaltando que, antes da nova revisão, eles podiam interferir com a operação de um sistema de controle; apesar de agora isso estar resolvido, é preciso pré-configurar os programadores manuais para que eles não interfiram com a operação normal do sistema de controle
Jonas Berge aprofundou a solução de problemas com as interpretações dos diagnósticos fornecidos pelos instrumentos de campo ficaram mais fáceis através da proposta da proposta da Namur107. Esta proposta foi incorporada pela Fieldbus Foundation em suas especificações. É importante manter os sistemas de controle e de gerenciamento de ativos com os DDs dos instrumentos atualizados.  Ressaltou que como nem todos os sistemas têm atualização automática de DDs (como o Guardian), portanto é preciso estar atento a isso e fazer o download do site da FF.
Quando um instrumento é comissionado, é preciso fazer um download da configuração desejada para o instrumento de campo. Mas downloads são uma das maiores reclamações dos usuários, pois podem aparecer mensagens de erro quando parâmetros não são configurados com valores válidos. Isso ocorre porque muitos destes parâmetros podem não ser conhecidos pelo usuário e tem valores não inicializados. Mestre Marcos Peluso afirmou que a norma estabelece estes valores não inicializados para proteger a planta. A ideia era que o usuário deveria configurar o instrumento com os valores desejados, para evitar, por exemplo, que uma válvula mova para uma posição indesejada quando ligada pela primeira vez.  O uso de templates evita estes problemas e também permite que não sejam eleitos para download parâmetros que não deve, ser tocados. Peluso lembra que alguns sistemas assumem o zero como parâmetro inicial mas que nem sempre esse valor é aceito pelo instrumento no campo. E aí, durante o download, o sistema tenta escrever parâmetros que não podem ser sobrescritos, como o número de série ou a data de calibração ou ainda uma especificação de um produto com dois fios e não mais... Isso acontecia muito então os fabricantes elaboraram uma lista de parâmetros que não podem ter downloads. E as condicionantes só são baixadas depois da configuração pronta.
Outra dificuldade comum entre usuários discutida por Peluso foi a dificuldade com os instrumentos de vazão de fabricantes diferentes que pedem diferentes configurações do transdutor. O bloco transdutor pode ser específico de um fabricante, e com isso, cada fabricante tem o seu. Para eliminar este problema, a Fundação estabeleceu um bloco transdutor standard para cada tipo de instrumento, possibilitando que todos instrumentos de um mesmo tipo tenham um conjunto de parâmetros em comum.

Na apresentação Guia para a integração de comunicação digital de sucesso (Hart FF Profibus WiHart) Peluso discutir as melhores práticas para minimizar a interferência nos sinais de controle e medição.
Por que se importar com a interferência eletromagnética (EMI)? Principalmente porque as novas plantas têm mais fontes de geração de EMI, (motores maiores, variable frequency drives, wi-fi, radio, etc) que, se não instaladas corretamente vão gerar muita interferência sem contar que os sistemas legados são inadequados para lidar com muitas dessas fontes.
Os protocolos digitais melhoram a produtividade mas também são fonte de problemas se não instados adequadamente. Peluso abordou alguns pontos importantes a se observar durante a instalação de uma rede digital cabeada: pessoas treinadas (práticas no IEC 62591 para wireless), blindagem e agrupamento, separação dos cabos, distância entre equipamentos de medição e de controle e fontes de interferência, seleção de componentes, contenção de geradores de interferência eletromagnética.
O que causa EMI? Fontes naturais como radiação solar, relâmpagos; ligar e desligar motores e outros equipamentos; cabos de alta tensão; rádios, celulares, wi-fi; variadores de frequência; microondas; equipamentos eletrônicos; etc.
E os efeitos da EMI podem ser sentidos de diversas formas. Os sinais dos sensores de temperatura, pH e condutividade são os mais afetados; sinais 4-20mA são mais fortes mas ainda assim são afetados; sinais digitais são afetados mas se a mensagem é corrompida, ela será enviada novamente diversas vezes.
No 4-20mA, a EMI pode causar variação de 20% ou mais – as menores podem nem ser notadas, as maiores podem causar picos que afetam o processo e podem chegar a derrubar a planta; nos protocolos digitais (Hart,FF, Profibus) EMI pode causar perda de mensagens e, se o número máximo de tentativas de envios é excedido, o instrumento é desligado da rede o que pode causar parada inesperada.
Os variadores de frequência causam a maioria dos problemas mas isso pode ser evitado se forem instalados adequadamente, se forem usados filtros para evitar harmônicas, se forem usados cabos blindados entre o motor e os variadores.
Já uma instalação wireless é forte contra EMIs mas também é necessária instalação correta. Importante utilizar instrumentos testados de acordo com normas internacionais e ter sempre em mente os problemas mais comuns, como quando a blindagem toca o conduite causando loops as vezes há impedância, o que já causa danos – medir a impedância! – e mesmo depois de um start up a má instalação pode permitir que água/umidade entre nos instrumentos e fios, acarretando problemas. Como saber se está tudo correto? Cheque a impedância entre os cabos e entre a proteção e entre o chão. Verifique sinais de nível, voltagem, existência de ruído, a presença de todos os instrumentos instalados com boas ferramentas.
E sim, algumas marcas de instrumentos não são muito boas.

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