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23/07/2019

Artigo: Uma solução para cada problema: a escolha adequada para o monitoramento do meu processo

Giuliano Bruno Martins Guarese

Coordenador de Projetos

 

Em uma era em que todos falam em IoT (Internet of Things), IIoT (Industrial Internet of Things) e Indústria 4.0, é muito difícil encontrar processos que não estejam sendo monitorados eletronicamente. Seja para evitar falhas humanas, seja para atender a exigências de normas ou até redução de custos, hoje todas as empresas estão abandonando ou já abandonaram as ultrapassadas anotações em prancheta. Com a evolução da tecnologia, é muito mais barato e seguro ter um equipamento monitorando o processo do que uma pessoa dedicada para realizar anotações periódicas. Assim, não cabe mais a discussão sobre se devemos migrar o monitoramento do processo para um equipamento eletrônico, mas sim qual o equipamento/tecnologia mais adequado para o processo. Com isso, abordaremos neste artigo características de diferentes equipamentos eletrônicos com tal finalidade, bem como outras tecnologias disponíveis no mercado, de forma a ajudar na escolha do mais indicado para cada processo. Além disso, trataremos também de algumas boas práticas de configuração e instalação desses instrumentos.

 

Processos

 

Quando falamos em aquisição de dados, normalmente nos referimos a um equipamento destinado a resolver um determinado problema de uma aplicação específica, ou seja, um processo que já exista e precise ser monitorado.

Aplicações típicas de monitoramento são:

 

* Contagem de peças produzidas em uma fábrica para apontamento do controle de produção;

*Monitoramento do fluxo de água que abastece uma casa para realização de cobrança mensal por uma concessionária de água;

* Monitoramento do fluxo e pressão de água que abastece uma cidade para controle de fornecimento pela concessionária de água;

* Monitoramento das temperaturas e pressões de diferentes partes de um mesmo processo para controle de qualidade;

* Monitoramento da temperatura e umidade de galpões de armazenagem de produtos (alimentos, medicamentos, produtos sensíveis em geral, etc.) para atender a normas de vigilância sanitária;

* Entre tantos outros.  

                                 

Diante das infinitas aplicações existentes em todo o mundo no que tange a monitoramento de processo, todas se resumem a medir grandezas analógicas e/ou digitais, com uma determinada periodicidade, registrando-as e possibilitando um acompanhamento por meio de indicação local ou remota. Assim, com o objetivo de escolher o equipamento mais adequado para cada processo, devemos descrever nosso problema em requisitos para posteriormente analisar as opções de mercado que atendam os mesmos. Abaixo seguem algumas dicas de perguntas que devem ser feitas para ajudar na escolha pelo equipamento correto:

 

- Os pontos a serem monitorados do processo ficam muito distantes uns dos outros?

 

- Sim: dar preferência por equipamentos que permitam realizar leitura de múltiplos dispositivos por meio de alguma interface com protocolo de comunicação padrão de mercado (como Modbus RTU sobre RS485, por exemplo);

 

- Não: dar preferência por equipamentos que consigam monitorar todos os pontos necessários do processo.

 

Preciso medir grandezas digitais?

 

Sim: escolher um equipamento que possua o número de entradas digitais necessárias para o meu processo;

 

Qual tipo?

 

** Contagem de peças: escolher por um equipamento que possua entrada digital com função acumulador e/ou contagem média por intervalo de registro;

 

** Medir vazão: escolher por um equipamento que consiga atender a frequência de pulsos máxima gerada pelo medidor de vazão e já possua funcionalidade para calcular esse tipo de informação;

 

** Medir volume: escolher por um equipamento semelhante ao do tópico anterior e que possua funcionalidade de totalização/acumulação;

 

** Registro de evento: escolher por um equipamento que disponha da funcionalidade de registro de eventos e que consiga registrar todos os eventos gerados pelo processo;

 

** Nenhum dos anteriores: estudar melhor o processo e identificar se a grandeza que precisa ser medida não é analógica ou se não será necessário colocar um equipamento intermediário que permita a aquisição da grandeza desejada.

 

- Não: o equipamento a ser escolhido não precisa possuir entrada digital.

 

Preciso medir grandezas analógicas?

 

- Sim: escolher um equipamento que possua o número de entradas analógicas necessárias para o meu processo;

 

Qual tipo?

 

** Temperatura: escolher por um equipamento que possua entrada para um sensor de temperatura que atenda às necessidades de faixa de operação, resolução e exatidão do meu processo (Termopar, Pt100, Pt1000, NTC, etc.);

 

** Umidade: escolher por um equipamento que possua sensor de umidade integrado ou que o disponha como acessório e que atenda às necessidades de faixa de operação, resolução e exatidão do meu processo;

 

** Pressão, Umidade, Temperatura, Corrente, Tensão, Potência, Luminosidade, etc.: há inúmeros tipos de grandezas onde será necessário utilizar um equipamento intermediário que obtenha a informação e a transmita via 0-20mA/4-20mA, 0-10V/0-5V, 0 50mV ou via algum protocolo de comunicação. Nesses casos, é possível utilizar uma entrada analógica do tipo linear que possibilite configurar a faixa de leitura de acordo com o que está sendo transmitido. Assim, devo procurar por um equipamento que, em conjunto com o equipamento transmissor, atenda às necessidades de faixa de operação, resolução e exatidão do meu processo;

 

** Nenhum dos anteriores: estudar melhor o processo e identificar se a grandeza que precisa ser medida não é digital ou se não será necessário colocar um equipamento intermediário que permita a aquisição da grandeza desejada.

 

- Não: o equipamento a ser escolhido não precisa possuir entrada analógica.

 

Além de verificar as necessidades de aplicação quanto aos tipos de dados a serem monitorados, também é preciso especificar as necessidades temporais da aplicação:

 

- Qual a taxa de varredura dos canais de entrada – de quanto em quanto tempo preciso conseguir ler todos os pontos de medição do meu processo?

 

- Qual a taxa de registros dos canais lidos – de quanto em quanto tempo preciso realizar um registro de todos os pontos de medição para análises futuras do meu processo?

 

- Qual o número de registros que preciso armazenar – por quanto tempo preciso ter os registros salvos em memória?

 

Tão importante quanto conseguir realizar a medição correta (com resolução e exatidão adequada) com o intervalo adequado, também é escolher um equipamento com a tecnologia apropriada. Se meu processo exige que os dados sejam registrados mesmo na falta de energia, devo procurar por um equipamento que possua pilhas de backup ou opere totalmente com elas. Se os dados precisam ser publicados em um sistema supervisório ou nuvem, em tempo real, devo procurar por equipamentos que disponham de tal conectividade. Caso essa necessidade não exista, devo considerar a periodicidade com que alguém realizará uma coleta manualmente, calculando para que o equipamento tenha memória suficiente para armazenar os dados por esse período. Nesse caso, também devo levar em consideração a tecnologia que me permita realizar a coleta de uma forma mais conveniente, como via USB ou por bluetooth através de um smartphone, por exemplo.

 

Também são comuns processos que necessitem alguma indicação local e/ou notificação de alarme para que ações imediatas sejam realizadas. Portanto, deve entrar no conjunto de requisitos as necessidades ou não de:

 

• IHM para indicação local;

• buzzer para notificação sonora de alarme;

• SMS para notificação de alarme;

• e-mail para notificação de alarme;

• saída digital controlada por alarme;

• etc.

 

Dataloggers

 

Dataloggers são dispositivos eletrônicos desenvolvidos para armazenar periodicamente dados analógicos e/ou digitais com o intuito de possibilitar posterior análise detalhada dos dados monitorados. Eles surgiram para atender às infinitas aplicações que existem e, a cada dia, novos modelos surgem para facilitar a vida dos usuários finais, dando cada vez mais inteligência ao dispositivo para que os processos possam ser automatizados.

 

De um modo geral, todos os dataloggers possuem um ou mais canais de monitoramento analógico e/ou digital, memória de registros e interface de comunicação. Os mais completos, que se destinam a resolver aplicações mais complexas, possuem múltiplos canais analógicos, múltiplos canais digitais, alguma interface com protocolo de comunicação padrão de mercado para permitir realizar leitura de múltiplos dispositivos, diversos protocolos de comunicação, algumas saídas para acionamento de carga, além de permitirem programar lógicas operacionais para a aplicação desejada.

 

Na linha de Aquisição e Comunicação de Dados da NOVUS, onde todo equipamento dispõe de software gratuito para configuração, coleta e análise dos dados, conseguimos encontrar as seguintes linhas de dataloggers:

 

Linha TagTemp

 

Dataloggers de temperatura com sensor integrado e que operam unicamente a bateria. São extremamente compactos (cabem no bolso) e versáteis, destinados a aplicações de monitoramento de temperatura de alimentos e medicamentos, onde o intervalo entre registros superior a 1 minuto (necessário para manter a autonomia da bateria) não é um impedimento para a aplicação. A linha disponibiliza modelos com interface USB ou NFC para coleta através de notebook ou smartphone, tecnologias atuais que permitem, de uma maneira simples e prática, buscar os dados do dispositivo sem gastar energia das baterias.

 

Linha TagTemp

 

Linha LogBox

 

Dataloggers robustos e compactos que operam a bateria e permitem aplicações diversificadas. O LogBox RHT LCD existe para suprir necessidades de aplicações de monitoramento de transporte, estocagem de perecíveis, auditoria de processos, entre outras. Possui sensores de umidade e temperatura integrados com indicação local em display LCD.

Já o LogBox AA é um datalogger com 2 canais de entrada analógica universais para medição de sinais analógicos compatíveis com uma vasta gama de sinais e sensores industriais, tais como Pt100, Termopares e sensores lineares (0-50mV, 0-10V, 0-20mA ou 4‑20mA), permitindo inúmeras aplicações que necessitem monitoramento de até duas grandezas analógicas. Para permitir aplicações que requerem também monitoramento de grandezas digitais, tais como aplicações no setor de saneamento, o LogBox DA possui, além de uma entrada analógica linear configurável (0-50mV, 0-10V, 0-20mA ou 4‑20mA), normalmente utilizada para ligar um transmissor de pressão, uma entrada digital, que pode contar pulsos de até 4kHz, servindo principalmente para o monitoramento de vazão.

 

Um modelo de LogBox para cada aplicação

 

Linha LogBox Connect

 

A linha LogBox Connect é a evolução da linha LogBox, provendo conectividade IoT – do dispositivo à NUVEM. Toda linha possui 1 canal digital configurável para registro de eventos ou contagem de pulsos, para controle de peças produzidas ou medição de vazão e/ou volume. Além da entrada digital, todos os modelos contam com até 3 entradas analógicas universais configuráveis (Pt100, Termopares e sensores lineares (0-50mV, 0-10V, 0-20mA ou 4‑20mA)), uma saída digital configurável para ser acionada por alarme, indicação local através de um display LCD e buzzer para notificação local de alarmes. Todos esses canais de entrada e saída existem para atender a uma vasta gama de aplicações, permitindo, inclusive, configurar pequenas lógicas particulares. Além de todos poderem ser alimentados por fonte externa 10 a 30 V, cada um dos equipamentos da linha se destaca por peculiaridades que se destinam a aplicações distintas.

 

O LogBox BLE pode ser operado totalmente a bateria, sendo a solução perfeita de mobilidade, pois sua coleta pode ser realizada não só por notebook pela interface USB, mas também por smartphone (Android ou iOS) através da interface BLE (Bluetooth Low Energy). Os aplicativos de coleta, além de darem mobilidade e permitirem rápida análise dos dados, permitem ao equipamento se comunicar com sistemas em NUVEM, pois, através deles, é possível publicar todos os dados coletados na NOVUS Cloud para análise distribuída dos processos monitorados.

 

Já o LogBox Wi-Fi, com um conceito mais integrado a sistemas, possui diversos protocolos de comunicação implementado em sua interface Wi-Fi. Com ele é possível realizar sua integração automática com sistemas em NUVEM, tais como NOVUS Cloud e AWS, além de sistemas com protocolo MQTT ou sistemas legados com protocolo Modbus TCP. Além disso, o equipamento também permite que os alarmes configurados sejam notificados por meio de e-mail. Assim, com o LogBox Wi-Fi, basta integrá-lo com o sistema desejado, utilizando a infraestrutura de rede Wi-Fi local para que não seja necessário realizar manualmente coleta dos dados monitorados pelo dispositivo. Apesar de o equipamento precisar de alimentação externa para conexão em redes Wi‑Fi, o equipamento conta com pilhas de backup que irão fornecer energia suficiente para que siga por mais de um ano monitorando o processo mesmo em faltas de energia, realizando a publicação dos dados retidos em memória assim que a energia e conexão com o sistema for reestabelecida.

 

Ainda, o LogBox 3G se baseia integralmente em sistemas em NUVEM, possuindo conexão direta com a NOVUS Cloud, onde é possível acessá-lo para configuração e/ou coleta local (através da USB) ou remotamente (através da NOVUS Cloud). É o equipamento perfeito para aplicações distribuídas em que seja necessário monitorar processos remotos sem conectividade Wi-Fi. Com ele, basta inserir um SIM CARD com plano de dados habilitado, realizar as conexões de alimentação e sensores no equipamento e cadastrá-lo na NOVUS Cloud através do software NXperience para ter acesso de qualquer lugar do mundo. Além disso, ele possui um modelo alternativo com geolocalização por GPS, contribuindo para aplicações que necessitem o monitoramento da localização da mercadoria. Para que o processo nunca deixe de ser monitorado, em uma eventual falta de energia, ele mantém a varredura dos sensores e publicação na NUVEM por algumas horas através de baterias internas que são recarregadas automaticamente quando a energia é reestabelecida. 

 

Família LogBox Connect

 

Fieldlogger

 

O Fieldlogger é o datalogger mais versátil da linha da NOVUS, sendo muitas vezes utilizado no lugar de CLPs para monitoramento e execução de pequenas tarefas. Seus 8 canais de entrada analógica universais, 8 canais de entrada/saída digital configuráveis, dois relés e interface RS485 para leitura de até 64 dispositivos remotos por Modbus RTU permitem monitorar uma infinidade de processos. Além disso, possui slot de expansão de memória por cartão SD, permitindo gravar até 16 GB de dados; interface USB OTG para coleta dos dados via pendrive; display gráfico para visualização local do processo; e interface Ethernet para gerenciamento remoto do processo através de inúmeros protocolos, dispondo de diversas funcionalidades através dos protocolos Modbus TCP, HTTP, FTP, SMTP, SNMP, etc. Por todas essas características, é o equipamento perfeito para o monitoramento de grandes processos que necessitem registro de um grande número de pontos, podendo ser eles tanto analógicos quanto digitais, estando próximos ou distantes do equipamento, onde, nesse último caso, é possível utilizar equipamentos auxiliares que comuniquem como escravos de uma rede Mobdus RTU. Além disso, em função das inúmeras configurações de alarme e saídas digitais disponíveis no equipamento, é possível implementar pequenas lógicas de controle para a aplicação.

 

FieldLogger

 

Dicas de instalação

 

Após realizar o levantamento dos requisitos do processo que se precisa monitorar e conhecer os dataloggers disponíveis no mercado, já é possível escolher o mais adequado para resolver a aplicação. Agora, basta a escolha dos sensores e transmissores adequados para medir as variáveis analógicas e digitais e realizar a instalação do conjunto.

 

Dicas de boas práticas de instalação

 

• Leia com atenção o manual de usuário dos equipamentos a serem utilizados, eles podem conter dicas importantes para seu processo e evitar falhas na instalação;

 

• Condutores de sinais eletrônicos e analógicos devem percorrer a planta separados dos condutores de saída e de alimentação, se possível em eletrodutos aterrados;

 

• A alimentação dos instrumentos deve vir de uma rede própria para instrumentação;

 

• É recomendável o uso de FILTROS RC (supressor de ruído) em bobinas de contactoras, solenóides, etc.;

 

• Em aplicações de controle, é essencial considerar o que pode acontecer quando qualquer parte do sistema falhar. Os dispositivos internos dos equipamentos não garantem proteção total;

 

• Na escolha de sensores de temperatura, procure pelo tipo que disponibilize melhor resolução na faixa de medição do processo;

 

• Ao utilizar sensores do tipo Pt100 ou Pt1000, dê preferência para utilizá-los com 3 ou 4 fios, assim, além de possibilitar ao equipamento indicar falha no rompimento do sensor, também permite que ele calcule e compense a resistência de cabo, que, se não compensada, pode representar alguns °C de erro na leitura do sensor.

 

• Ao utilizar sensores do tipo termopar, lembre-se de utilizar o cabo de compensação correto desde o sensor até o equipamento de medição. Para esses tipos de sensores, os equipamentos possuem um sensor interno de temperatura (chamado de junta fria) que é utilizado para compensar a temperatura na junção entre o elemento termopar e o borne de conexão com o equipamento. Se não utilizado o cabo de compensação correto, a diferença de temperatura entre o elemento sensor e o equipamento aparecerá como um erro em °C na leitura.

 

• Elementos sensores possuem um sinal muito fraco e são suscetíveis a ruídos eletromagnéticos, podendo apresentar oscilação na leitura. Por isso, se algum ponto de medição ficar muito distante do datalogger, utilize um transmissor 4-20mA ou 0-10V para transmitir o sinal até o datalogger.

 

Como evitar problemas na instalação devido ao terra comum dos canais do aparelho?

 

Nos aparelhos em que há mais de um canal de entrada, normalmente o terra dos canais é comum a eles, ou seja, os terminais negativo ("-") dos canais estão internamente interligados. Dessa forma, ao medir sinais de corrente (tipicamente sinais oriundos de transmissores), deve-se tomar cuidado na ligação para que não haja interferência entre eles.

 

A forma correta de ligação é sempre deixar o instrumento de medição (com os terras comuns) "por último" no caminho da corrente, ou seja, com os negativos das entradas ligados diretamente ao negativo da fonte de alimentação. Isso evita que haja interferência das diferentes correntes nos canais de entrada.

 

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