BRPI0720830B1

BRPI0720830B1 - Sistema de rede para monitoramento de válvulas e dispositivo de monitoramento de válvula vmd

Info

Publication number: BRPI0720830B1
Application number: BRPI0720830-8A
Authority: BR
Inventors: Israel Radomsky; Reuben Fuchs; Israel Kalman; Amir Nemenoff; Ohad Gal
Original assignee: Rotork Controls Ltd.
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2007-12-24
Publication date: 2019-08-20
Also published as: JP2010515144A; US20080156121A1; JP5011395B2; WO2008078323A1; EP2126434A1; IL181042A0; EP2126434B1; MX2009006993A; BRPI0720830A2; ATE520914T1; KR20090098876A; CN101606012A; US7886766B2; KR101494277B1; CN101606012B; RU2469234C2; RU2009124432A

Abstract

sistema de rede para monitoramento de válvulas e dispositivo de monitoramento de válvula vmd a invenção se refere a um sistema de rede para monitoramento de válvulas em uma instalação, que compreende: (a) uma pluralidade de dispositivos de monitoramento de válvula vmds (11), cada dispositivo de monitoramento (11) sendo fixo a uma válvula (1), e compreendendo: (a.1) um sensor para detectar o status da válvula; (a.2) uma unidade de comunicação sem fio de curto alcance para transmitir o status como detectado pelo referido sensor, e para transmitir o status como detectado, junto com uma identificação do dispositivo referido, a um ou mais leitores de dispositivo de válvula - vdrs (18) situados dentro de tal curto alcance; (a.3) um mecanismo para fixar o dispositivo à válvula monitorada de uma maneira que não atrapalhe o funcionamento normal da válvula; e (a.4) um ou mais vdrs para receber a transmissão do status da válvula e da identificação de vmd de tais vmds, e para transmitir os mesmos a um servidor (21), por uma comunicação ethernet (25).

Description

SISTEMA DE REDE PARA MONITORAMENTO DE VÁLVULAS E DISPOSITIVO DE MONITORAMENTO DE VÁLVULA VMD

Campo da Invenção

A presente invenção se refere ao campo de sistemas e dispositivos para o monitoramento e/ou controle do fluxo de fluidos, particularmente em instalações industriais. Mais particularmente, a invenção se refere a um sistema e a um dispositivo para monitorar o status de válvulas em uma instalação industrial.

Fundamentos da Invenção

No ambiente industrial atual, sistemas e equipamentos devem funcionar em níveis pensados impossíveis há uma década atrás. A competição global está forçando a indústria a melhorar continuamente as operações de processos, qualidade de produto, rendimento e produtividade com menos pessoas do que antes. O equipamento de produção deve proporcionar níveis inéditos de confiabilidade, disponibilidade, e capacidade de manutenção, pois, os gerentes de planta procuram maneiras de reduzir custos operacionais e de suporte e eliminar ou minimizar investimentos de capital. Em suma, a indústria deve invocar novas medidas para melhorar o desempenho e a segurança da produção ao passo que, minimiza os custos e estende a vida operacional do novo e antigo equipamento.

Os sensores e atuadores são encontrados em grandes números em cada linha de processo. Cada um deles exige a transmissão de dados e cabeamento de energia. O uso dos cabos é não somente caro para projetar e instalar, mas é também uma das fontes mais frequente de falha na linha de processo, onde uma quantidade considerável de sensores e atuadores está em movimento ou expostos às circunstâncias ambientais severas. Consequentemente, é aqui, no nível de dispositivo de campo, onde os problemas com fios realmente existem para os usuários.

Os vários barramentos de campo que encontraram seu caminho na maioria das aplicações industriais na última década não mudaram a situação. Os sensores e atuadores ainda são conectados tipicamente através de fios em uma topologia em estrela para concentradores de barramento, ou são conectados ao barramento em uma configuração em cadeia tipo margarida. Entretanto, quando os fios envelhecem, eles podem rachar ou falhar. A inspeção, teste, pesquisa de defeito, reparo e substituição dos fios exigem tempo, trabalho e materiais significativos. Se falhas na fiação causam uma parada da produção, os custos sobem rapidamente.

As linhas de fluido são amplamente utilizadas em quase todas as

Petição 870180152943, de 19/11/2018, pág. 9/14

2/17 instalações industriais. O fluxo de fluido nas linhas é geralmente controlado por meio de válvulas. As válvulas de esfera são elementos chaves no controle de fluido, em virtude da sua estrutura simples e relativamente baixo custo. Embora o termo “válvula de esfera” seja usado neste pedido, e todos os exemplos que são dados referirem-se especificamente às válvulas de esfera, a invenção não é limitada ao uso somente com este tipo de válvula, mas com qualquer tipo de válvula industrial. Estima-se que 70 milhões de válvulas de esfera industriais de tamanhos de 1/2 a 4 foram vendidas no mundo inteiro só em 2004. Há muitas instalações de processo típicas que têm mais de 1000 válvulas de esfera. Embora os operadores do processo tenham um forte desejo e precisem para o monitoramento das válvulas de esfera, em virtude dos custos e das complicações envolvidas na fiação e manutenção, aproximadamente 80% das válvulas de esfera em instalações industriais permanecem eletronicamente não monitoradas.

O controle sobre o processo poderia significativamente ser intensificado se um monitoramento remoto do status de todas ou da maioria das válvulas de esfera em uma instalação, fosse fornecido. Entretanto, como dito a instalação da caixa de monitor com fio para monitorar o status de cada válvula é muito cara. O custo estimado para cada válvula de esfera com fio monitorada está na escala de milhares de dólares americanos devido às implicações para colocar fios em uma instalação de linha de processo. O custo ainda aumenta altamente quando os cabos do dispositivo de monitoramento de válvula de esfera passam através de dutos, ou quando precisam ser protegidos por cobertura de aço inoxidável. Às vezes, tal proteção de cobertura de aço inoxidável pode aumentar os custos em 10 vezes. Este é o resultado principal pelo qual a indústria tende a comprometer a taxa de monitoramento, isto é, monitorando somente uma pequena parte das válvulas de esfera na instalação, geralmente somente aquelas que são consideradas críticas no processo.

É consequentemente um objeto da presente invenção fornecer um dispositivo de monitoramento para uma válvula de esfera que seja de baixo custo.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer um dispositivo de monitoramento que elimine a necessidade de fiação e manutenção muito caras.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer um dispositivo de monitoramento para uma válvula de esfera que seja simples de instalar em válvulas instaladas existentes assim como em válvulas novas e mantê-las no campo.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer um dispositivo de

3/17 monitoramento que seja mais confiável em comparação com os dispositivos de monitoramento de válvula de esfera com fio da técnica anterior.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer um dispositivo de monitoramento sem fio para uma válvula de esfera, que seja capaz de trabalhar e funcionar dentro de uma grande rede de dispositivos similares.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer um dispositivo sem fio de monitoramento para uma válvula de esfera que tenha baixo consumo de corrente, e que consequentemente exija relativamente raramente a substituição de baterias.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer meios para permitir que um operador recupere dados do dispositivo da válvula, tais como a identificação da válvula e o status, versão de software, configuração, fabricante da válvula, informação de manutenção, e todos os dados armazenados recebidos durante a operação, e introduza os dados do dispositivo no dispositivo da válvula por meio de um dispositivo portátil de um curto alcance.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer uma capacidade para introduzir a identificação do operador no dispositivo da válvula quando a válvula manual for atuada.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer a opção de instalação e calibração do dispositivo da válvula localmente sem a necessidade de comunicação com a sala de controle.

É ainda outro objeto da presente invenção fornecer uma rede sem fio interconectada auto-reparadora que produz uma comunicação sem fio muito confiável mesmo em ligações ruidosas e obstruídas.

É ainda outra modalidade da presente invenção fornecer meios para verificar que uma mudança desejada no status de uma válvula de esfera foi executada apropriadamente.

Outros objetos e vantagens da presente invenção tornar-se-ão aparentes como a seguinte descrição.

Sumário da Invenção

A invenção se refere a um sistema de rede para monitoramento de válvulas em uma instalação, que compreende: (a) uma pluralidade de dispositivos de monitoramento de válvula - VMDs, cada dispositivo de monitoramento é fixado a uma válvula, e compreende: (a.1) um sensor para detectar o status da válvula; (a.2) unidade de comunicação sem fio de curto alcance para transmitir o status conforme detectado pelo sensor referido, e para transmitir o status conforme

4/17 detectado, junto com uma identificação do dispositivo referido, a um ou mais Leitores de Dispositivo de Válvula - VDRs situado dentro do curto alcance referido; (a.3) mecanismo para fixar o dispositivo à válvula monitorada em uma maneira que não atrapalhe o funcionamento normal da válvula; e (a.4) um ou mais VDRs para receber a transmissão do status da válvula e da identificação de VMD dos VMDs referidos, e para enviar os mesmos a um servidor por uma comunicação Ethernet.

Preferivelmente, a comunicação de curto alcance usa um protocolo que é selecionado a partir de Bluetooth, WiFi e ZigBee.

Preferivelmente, o sistema ainda compreende um ou mais dispositivos de operador portáteis - ODs, para desencadear uma comunicação de curto alcance para um VMD selecionado, quando está na proximidade destes, recebendo deles, desse modo, tal mensagem do status e de identificação, para, opcionalmente, coletar tal mensagem de uma pluralidade de VMDs, e para baixar posteriormente uma ou mais mensagens, como coletadas, de um servidor de estação de controle, ou transmitir estas a um ou mais VDRs, através de uma comunicação de curto alcance referida.

Preferivelmente, o VMD ainda compreende uma unidade de comunicação de alcance muito curto que utiliza o transceptor de baixa frequência (LF), e protocolo para receber a informação do status e da medida de um ou mais sensores de processo industrial que estão dispostos em um alcance muito próximo da posição do VMD, e para ainda incluir informação de medida e do status dos sensores de processo industrial recebidos na transmissão de VMD a um ou mais VDRs.

Preferivelmente, a unidade de alcance muito curto de baixa frequência é uma unidade de comunicação de duas vias e, onde o sistema ainda compreende um ou mais dispositivos de operador portáteis - ODs, para desencadear dita comunicação de alcance muito curto de baixa frequência de um VMD selecionado, quando está na proximidade dele, recebendo, desse modo, tal mensagem do status e de identificação, dito OD coletando tais mensagens de um ou mais VMDs, e posteriormente, baixar uma ou mais mensagens, como coletadas, de um servidor da estação de controle.

Preferivelmente, cada VMD é operado por batería.

Preferivelmente, o mecanismo de fixação compreende um perfil em forma de U.

Preferivelmente, o sensor é sensor de base ótica.

5/17

Preferivelmente, o sensor é baseado em um potenciômetro. Preferivelmente, o sensor é baseado em um capacitor variável.

Preferivelmente, o sensor é baseado em um ímã afixado à haste da válvula e a um dispositivo Hall dentro do VMD que mede a posição angular medindo a mudança do fluxo magnético do ímã enquanto o ímã estiver girando.

Preferivelmente, a transmissão do status pelo VMD é executada periodicamente, por evento, ou por solicitação pela transmissão de curto alcance do centro de controle através de um VDR, ou de um dispositivo de operador OD.

Preferivelmente, o OD atua como um único centro de confiabilidade HOP, admitindo um VMD no sistema ou em um dispositivo de terceiros na rede da instalação.

Preferivelmente, o OD atua como um único centro de confiabilidade HOP, admitindo um dispositivo de terceiros selecionado de um VMD, VDR, OD ou um sensor de processo no sistema.

Preferivelmente, o OD admite o VMD na rede através de uma única mensagem hop, não segura, de baixa energia de transmissão, que compreende uma chave de segurança da rede.

Preferivelmente, o OD admite o VMD na rede através de uma transmissão de baixa frequência, de alcance muito curto, não segura, que compreende uma chave de segurança da rede.

Preferivelmente, o OD admite um dispositivo de terceiros na rede através de um conjunto de chaves de senha de mudança de alcance muito curto, do qual a última chave é a chave de segurança da rede.

Preferivelmente, nenhum dispositivo pode ser admitido na rede a menos que seja aprovado por um OD que atue como um único centro de confiabilidade HOP.

Preferivelmente, o VDR é conectado diretamente à Ethernet através da LAN ou LAN sem fio.

Preferivelmente, cada VDR é acessado através do servidor através da Ethernet usando um endereço IP dado que corresponde a seu endereço da rede ZigBee.

A invenção ainda se refere a um dispositivo para monitorar o status de uma válvula de esfera, que compreende: (a) um sensor para detectar o status da válvula; (b) unidade de comunicação sem fio de curto alcance para receber o status conforme detectado pelo sensor referido, e para transmitir o status da válvula como detectado, junto com uma identificação do dispositivo referido, a um

6/17 ou mais dispositivos de recepção situados dentro do curto alcance referido; e (c) mecanismo para fixação do dispositivo à válvula de esfera monitorada, de maneira que não atrapalhe o funcionamento normal da válvula de esfera.

Breve descrição dos desenhos

Nos desenhos:

- A Fig. 1 mostra uma válvula de esfera típica da técnica anterior;

- As Figs. 2a e 2b mostram uma válvula de esfera típica que compreende um Dispositivo de Monitoramento de Válvula (VMD) de acordo com uma modalidade da presente invenção;

- A Fig. 3 mostra o diagrama de bloco do VMD;

- A Fig. 4 mostra o conceito de medição da posição angular da haste da válvula com um IR LED e um fotodiodo;

- A Fig. 5 mostra um sistema para monitoramento de válvulas de esfera, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

- A Fig. 6 mostra o dispositivo de operador de acordo com uma modalidade da presente invenção;

- A Fig. 7 mostra um método de não-contato usando um ímã giratório fixado à haste da válvula e um dispositivo Hall que mede o fluxo magnético e, disso, a posição angular da válvula;

- A Fig. 8 mostra uma disposição de Micro Rede onde vários sensores sem fio comunicam-se com o VMD por meio de uma comunicação de LF;

- A Fig. 9 mostra um diagrama de fluxograma do VMD;

- A Fig. 10 mostra o diagrama de sequência exemplar da comunicação de LF.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas

A Fig. 1 mostra a estrutura de uma válvula de esfera típica (1), tal como amplamente utilizada na indústria para controlar o fluxo de fluidos. Tais válvulas de esfera típicas são feitas com medidas de geralmente 1/2 a 4. A válvula de esfera é instalada entre duas seções de uma linha de fluido, e serve essencialmente como interruptor de fluxo ABRE/FECHA. A válvula de esfera (1) tem, essencialmente, uma seção oca (2), uma entrada (3) e uma saída (4), e uma manivela (5) para abrir e fechar a válvula manualmente. Como foi dito, a técnica anterior não forneceu ainda um dispositivo sem fio de baixo custo para monitorar o status de uma válvula de esfera, que seja de confiança, e simples de instalar e manter. Além disso, a técnica anterior não forneceu ainda nenhum meio sem fio para monitorar um número maciço de válvulas de esfera industriais, de uma

7/17 maneira que seja de baixo custo, simples de instalar e manter, e de confiança.

A presente invenção fornece um dispositivo de monitoramento de válvula de esfera que resolve a maioria dos inconvenientes da técnica anterior, que formaram essencialmente uma sobrecarga significativa para a indústria monitorar eletronicamente o status de válvulas de esfera das instalações.

De acordo com uma modalidade da presente invenção, um dispositivo de monitoramento de válvula de esfera sem fio, de curto alcance (doravante MD) é instalado em uma válvula de esfera, situada em uma linha de fluido dentro da instalação industrial. Preferivelmente, o dispositivo de monitoramento é um dispositivo auxiliar, que é adaptado para ser instalado facilmente em uma válvula de esfera típica existente, mesmo quando a válvula referida for operativa. As Figs. 2a e 2b mostram duas vistas diferentes de tal dispositivo auxiliar. Inicialmente, um elemento de apoio em forma de U é fixado ao corpo existente da válvula de esfera por um ou mais parafusos (13). O dispositivo de monitoramento (11) é fixado por qualquer meio convencional, à parte superior do elemento de apoio (12). Dessa maneira, a unidade de apoio (12) e o dispositivo de monitoramento (11) não atrapalham o funcionamento normal da válvula de esfera. O dispositivo de monitoramento da válvula (doravante VMD) (11) compreende um sensor (não mostrado nas Figs. 2a e 2b) para ler o status da válvula de esfera, e uma unidade de comunicação (não mostrada) para periodicamente, ou mediante solicitação ou evento, transmitir o status da válvula de esfera e o número de identificação do VMD, para outro dispositivo situado dentro da escala da transmissão do VMD referido. O outro dispositivo de curto alcance referido pode ser um Leitor de Dispositivo de Válvula - VDR, como será elaborado na medida em que a descrição prosseguir.

De acordo com a invenção, vários de tais dispositivos de monitoramento são instalados em válvulas de esfera dentro da instalação, para formar uma rede. Cada dispositivo de monitoramento é fornecido com a unidade de comunicação sem fio, de curto alcance, que se comunica com outros dispositivos ou com uma ou mais unidades centrais usando um protocolo sem fio de curto alcance tal como Bluetooth, ZigBee, ou WiFi.

A seguinte tabela resume algumas das características principais dos três protocolos referidos:

	WiFi	Bluetooth	ZigBee
Alcance	-100 m	-10m-30m	~10m-100m
Taxa de Dados	2-11 Mbps	1Mbps	0.25 Mbps
Modulação	DSSS	Salto de frequência	DSSS

8/17

Consumo de Energia	Médio	Baixo	Ultra baixo
Tamanho	Maior	Menor	Menor de todos
Custo/Complexidade	Alto	Médio	Muito baixo

Descobriu-se que para a finalidade da invenção o protocolo de Zigbee é o mais preferível. O ZigBee é uma especificação para as redes de área pessoal sem fio, operando a 868 MHz, em 902-928 MHz, e em 2,4 GHz. Usando ZigBee, os dispositivos em uma rede podem comunicar-se em velocidades de até 250 Kbps mesmo separados fisicamente por distâncias de até 100 metros, em circunstâncias típicas, e por distâncias maiores em um ambiente ideal. O ZigBee é baseado na especificação 802.15.4 aprovada pela Associação de Padronização do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE-SA). O ZigBee fornece a produção de dados elevada em aplicações onde o funcionamento é baixo. Isto torna o ZigBee ideal para os dispositivos de monitoramento de válvulas de esfera atuais. O dispositivo de monitoramento da presente invenção pode, consequentemente, funcionar em níveis de energia baixos, e este, conjuntamente com o baixo funcionamento se traduz em vida longa da bateria. O ZigBee é também compatível com a maioria das topologias, incluindo par-a-par, rede em estrela, e redes em malha e pode manipular até 65.000 dispositivos em uma única rede.

Há várias maneiras pelas quais a leitura do status da válvula de esfera pode ser executada pelo VMD da presente invenção. Na modalidade exemplar da Fig. 2b, um pequeno Dispositivo de Monitoramento de Válvula (VMD) (11) é fixado externamente à flange (113) de válvula padrão ISO. O VMD é alimentado por bateria (tipicamente cerca de 5 anos de vida da bateria) e usa o protocolo de 2,4 GHz ZigBee/802.15.4 sem fio para transmitir e receber mensagens sem o uso de fio para e do VMD (11). O eixo do VMD (115) é preso à haste da válvula (16) por um suporte em forma de U (17) a fim de transferir as voltas da haste (16) ao VMD (11). Um sensor que é associado ao VMD (11) mede a posição angular do eixo do VMD (115), isto é, mede a posição angular da haste (16), em graus, em relação à flange da válvula (113).

O VMD relata o status da válvula depois de detectar um movimento da alavanca (15), e possivelmente, também a cada hora predeterminada, por exemplo, 15 minutos. Os sensores adicionais também podem ser incluídos no dispositivo de VMD (11). Dessa forma, a temperatura de VMD, o status da bateria de VMD, e outros parâmetros funcionais podem ser transmitidos com cada mensagem de VMD.

A Fig. 3 descreve um diagrama de bloco exemplar do VMD (11). Um

9/17 sensor de posição angular (111) mede a posição angular da haste da válvula (115). O processador (123) recebe a posição angular como medida pelo sensor de posição angular (111), e pode também, opcionalmente, receber outros dados, tais como a temperatura da válvula, a partir de um sensor de temperatura (não mostrado), a energia restante na batería (115) e outros dados detectados da unidade de comunicação LF (125), que compreende um transceptor de LF (501) (doravante, LFT, não mostrado na Fig. 3), conforme será elaborado mais detalhadamente em seguida. O processador (123) entrega os dados a serem transmitidos, sem o uso de fio, ao Gerenciador do Protocolo de ZigBee (116), que por sua vez arranja os dados na ordem apropriada, adiciona bytes de manutenção de protocolo, como é comum na técnica, e também gerencia uma comunicação em dois sentidos com os Leitores de Dispositivo de Válvula de ZigBee (VDR) (não mostrado). O transceptor ZigBee (117) recebe o sinal como arranjado, e emite um sinal RF através da antena (118). Um sinal recebido também pode ser recebido através da antena (118) para o transceptor (117), que detecta o sinal, que é então transportado através do gerenciador do protocolo (116) ao processador (123).

Ainda com referência a Fig. 2b, a detecção da posição angular da haste da válvula (16) pode ser feita de várias maneiras. Em um primeiro exemplo, o eixo (115) é fixado a um potenciômetro diretamente, ou através de uma roda dentada, e a posição referida do potenciômetro fornece uma indicação para a posição angular da haste da válvula (16).

Ainda em outra modalidade, a leitura do status da alavanca (15) pode ser executada oticamente, como mostrada na Fig. 4. Por exemplo, o diodo de emissão de luz (150) emite a luz para o cilindro (127) através da fenda (130), e a luz refletida do cilindro (127), que também passa através da fenda (130) é detectada pelo foto diodo (151). O cilindro (127) tem uma largura gradualmente em mudança da superfície refletora (128). A largura da superfície refletora (128), no que diz respeito ao dispositivo de detecção, afeta a quantidade de luz refletida do cilindro (127) e indica, consequentemente, a posição angular α da alavanca (15). Alternativamente, em vez de mudar a largura da superfície refletora (128), um nível de cinza gradualmente mudado de tal superfície pode indicar a posição. Ainda em outra modalidade, a posição angular pode ser medida por um capacitor variável, o qual tem seu eixo fixado ao eixo (115).

Na Fig. 7, um arranjo de não-contato para medir a posição angular da haste da válvula é mostrado. Neste arranjo, um ímã de disco (301) é fixado à haste da válvula giratória (302). Um dispositivo de efeito Hall (303) é montado

10/17 dentro do VMD. A rotação do ímã causa um coplanar com o fluxo magnético da superfície do dispositivo Hall (306) para mudar com a rotação do ímã. Isto permite que o dispositivo de efeito Hall (303), com o circuito magnético correto, decodifique a posição (angular) giratória absoluta de 0 a 360 graus. O dispositivo de efeito Hall entrega um sinal (304) ao processador que é proporcional à posição angular da haste da válvula (302), no que diz respeito ao corpo da válvula. Tal dispositivo Hall é comum na indústria e disponível de muitos fornecedores. Desde que o fluxo magnético penetra o plástico, a medida é feita sem contato através do corpo do VMD (305).

A Fig. 5 divulga o diagrama de bloco do sistema inteiro. Os Dispositivos de Monitoramento de Válvula (VMD) (11) transmitem dados aos Leitores de Dispositivo de Válvula (VDRs) (18) instalados na linha de processo.

A Fig. 5 descreve uma estrutura geral de um sistema para monitorar o status das válvulas de esfera, de acordo com uma modalidade da presente invenção. O sistema compreende vários VMDs sem fio (11), que são fixados cada um a uma válvula de esfera. Cada VMD transmite seu status, ou periodicamente, ou mediante solicitação, ou por evento no protocolo ZigBee a um dispositivo de leitura de válvula (18) (doravante VDR), que seja localizado em uma escala de não mais que 50 metros do VMD. Um VDR (18) pode estar em comunicação com um ou mais VMDs (11) usando o protocolo ZigBee. Pode haver diversos VDRs (18) dentro da instalação que se comunicam uns com os outros, ou com um Gateway/Coordenador da Rede Pessoal (PAN) (25) através da Ethernet. Cada VDR (18) é conectado à rede do sítio por fio, ou usa uma LAN sem fio, ou usa outro VDR (18), como um roteador, que retransmite as mensagens que recebe para outro VDR (18).

A distância entre um VDR (18) e outro não é preferivelmente maior que 100m. A escala estendida da comunicação VDR a VDR é devida a uma energia de RF mais elevada do transmissor de VDR, melhor valor de ruído do receptor VDR, e a uma antena de ganho mais elevada no VDR, comparado aos elementos similares do transceptor VMD. Um ou mais VDRs (18) são conectados através da Ethernet (LAN ou LAN sem fio) às estações de monitoramento (20) da instalação, e ao servidor (21) através do Gateway/Coordenador (25) e do hub (19).

O protocolo ZigBee define dois tipos de dispositivos, Dispositivo de Função Completa (FFD) e Dispositivo de Função Reduzida (RFD). O FFD contém um conjunto completo de serviços ZigBee e é consequentemente o mais apropriado para Gateway/Coordenador (25) da rede ou VDR (18). O VMD emprega

11/17 preferivelmente o RFD que contém um conjunto reduzido de serviços, um fato que pode significativamente reduzir o custo de cada VMD.

As várias topologias disponíveis com ZigBee podem ser usadas de acordo com a presente invenção. Uma primeira topologia que pode ser usada é uma estrela, e ela é formada em torno de um Dispositivo de Função Completa (FFD) que designa o Gateway/Coordenador da PAN (25) que atua como um hub com uma coleção de FFD ou RFD adicional, que entrega as mensagens recebidas ao servidor do sistema. A esse respeito, o Gateway/Coordenador da PAN (25) recebe mensagens através do canal ZigBee sem fio e retransmite-as através do canal Ethernet ao servidor do sistema (21). Toda VDR (18) pode atuar na rede neste modo se estiver conectado ao hub ((neste caso Gateway/Coordenador (25)), ou pelo cabo ou por WiFi. Entretanto, somente um VDR (18) pode atuar como um Coordenador de PAN (25) que armazena todas as tabelas de roteamento da rede.

Uma segunda topologia que pode ser usada, permite uma comunicação par-a-par sem a participação direta de um coordenador de rede (25) designado, embora um coordenador de PAN (25) seja exigido em algum lugar na rede para armazenar as tabelas de roteamento. Esta topologia permite a instalação de um VDR sem fio (18) em um lugar onde seja difícil dispor um cabo de rede (entretanto, a energia DC deve ser entregue ao leitor da fonte local), e o VDR (18) retransmitirá, usando o canal sem fio ZigBee, a mensagem que recebe dos vários VMDs (11) a um ou mais outros VDRs (18), que são presos ao hub (19), de acordo com as tabelas de roteamento.

Não obstante o tipo de rede empregada, de acordo com a presente invenção cada dispositivo da rede emprega preferivelmente um protocolo de Portador de Acesso de múltiplo sentido com Prevenção de Colisão (CSMA - CA) para evitar colisões devastadoras, quando as transmissões simultâneas múltiplas puderem de outra maneira ocorrer.

O protocolo CSMA-CA é baseado na natureza compartilhada do canal RF ZigBee. Sempre que dois ou mais remetentes estiverem ativos no canal simultaneamente, a probabilidade que qualquer um deles seja bem sucedido na emissão de uma mensagem diminui devido às colisões e a sua interferência mútua. No ambiente ZigBee RF, bastante da interferência real depende da posição dos transmissores de competição, mas a informação da posição não disponível aos dispositivos de transmissão. Uma maneira de evitar colisões no canal é escutar primeiramente e transmitir somente se o canal estiver

12/17 desobstruído. O sentido do portador assegura o acesso ao canal desobstruído e a possibilidade de uma colisão seja reduzido. Deste modo, a capacidade do canal é mais inteiramente utilizada.

ZigBee emprega um único protocolo de sincronização completo para assegurar a transferência de dados confiável e a boa qualidade do serviço. À exceção dos frames de transmissão e frame de reconhecimento, cada frame recebido pode ser reconhecido para assegurar ao dispositivo de transmissão, que sua mensagem, foi recebida de fato. Se um frame de reconhecimento pedido não for recebido pelo dispositivo de transmissão, todo o frame transmitido é repetido. Para detectar que uma mensagem foi recebida corretamente, uma Verificação de Redundância Cíclica (CRC) é usada preferivelmente. Os bits da mensagem são tratados como um número binário longo e divididos por um número principal relativamente grande. O quociente da divisão é rejeitado, e o lembrete da divisão, com o mesmo número principal, é executado no receptor, e uma correspondência significa uma probabilidade elevada de uma comunicação não corrompida.

A comunicação empregada no sistema usa a tecnologia de auto-reparação. Se por qualquer razão a ligação de comunicação entre o VMD particular (11), através de alguns VDRs, para o Gateway (25) for deteriorada, o sistema selecionará outra rota do VMD para o Gateway, através de outros VDRs (18) a fim de empregar o melhor nível de uma comunicação para assegurar a entrega confiável dos dados de VMD (11) ao Gateway.

O sistema da invenção pode ainda compreender um ou vários dispositivos do operador (31) (doravante, OD). A Fig. 6 mostra um dispositivo do operador de acordo com uma modalidade da invenção. O dispositivo do operador (31) pode ser, por exemplo, um PDA, ou um dispositivo portátil similar que tenha um mostrador, unidade de processamento, armazenamento da memória, e uma unidade de comunicação para a comunicação de curto alcance, tal como o protocolo ZigBee, ou uma comunicação magnética de alcance muito curto de Baixa Frequência (LF).

Ainda em outra modalidade da invenção, o VMD (11) pode ainda compreender uma unidade de comunicação de LF (125) (mostrada na Fig. 3). A unidade de comunicação de LF (125) permite uma comunicação em dois sentidos de muito curto alcance (alguns metros) entre o OD 31 e o VMD (11). Além disso, esta comunicação pode ser usada para receber dados dos sensores do processo que são dispostos nas proximidades do VMD segundo as indicações da Fig. 8. Esta comunicação consome muito pouca energia tanto no sensor do processo

13/17 quanto no VMD. Já que a comunicação de LF é uma magnética que decai como 1/R³ (R sendo a escala), a escala da comunicação de LF é de poucos metros, assim, uma interferência muito pequena é gerada com os outros VMDs.

O OD (31) é usado por um operador da instalação para receber tarefas, armazená-las, e para relatar as atualizações ao sistema principal por meio de uma comunicação com um VDR (18). O seguinte é um exemplo para a maneira de funcionamento do dispositivo do operador (31).

• Estágio 1

- Um comando é iniciado na sala de controle - “fechar válvula #C24”.

- O comando é transmitido através do ZigBee ao OD (31) e mostrado em seu mostrador. O OD 31 envia um reconhecimento técnico da recepção.

- O operador tem que reconhecer a recepção em seu OD (31) pressionando o ACK.

• Estágio 2

- O operador traz seu OD (31) perto da válvula #C24 e pressiona a tecla VD (para transferir o ID do operador ao VD). Esta mensagem é recebida também por um VDR e é armazenada.

- O operador fecha a válvula #024.

- O Dispositivo da Válvula (31) transmite a mudança de status à sala de controle/VDR incluindo o ID do operador • O operador pode rolar em seu mostrador do OD (31) através de suas últimas ações pressionando a tecla de rolagem.

O OD também pode ser usado para monitorar o status exato da válvula sem a necessidade de estar na sala de controle para monitorar a posição da válvula.

O OD também é usado opcionalmente como uma ferramenta de instalação e calibração. Depois que o VMD é instalado em uma válvula (no campo), a válvula é ajustada a 0 graus e o OD é ajustado também a 0 graus, e esta informação é alimentada ao VMD. O mesmo processo é repetido em 90 graus.

O OD pode ser usado para associar o VMD específico à válvula a qual é fixado. O operador tem que inserir o ID da válvula em seu OD e esta informação é alimentada ao VMD. A partir daqui, o VMD relata o seu ID assim como o ID da válvula a qual é fixada.

Em outra variação da invenção, o OD (31) atua como um Único Centro de Confiabilidade HOP.

O OD (31) pode ser usado para admitir o VMD específico na rede ZigBee.

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A senha de admissão pode ser fornecida diretamente por uma transmissão ZigBee, ou preferivelmente por uma mensagem de LF. No último caso, a senha de rede ZigBee da fábrica nunca é comprometida.

O OD também pode ser usado para admitir um dispositivo de terceiros (doravante TPD) na rede ZigBee. A senha de admissão pode ser fornecida diretamente, ou preferivelmente, por um conjunto de senhas aleatórias modificadas na seguinte maneira:

1. Um OD estabelece uma rede segura privada no mesmo canal físico da rede, permitindo a junção insegura;

2. O TPD se junta à rede privada do OD e recebe uma chave da rede;

3. O OD emite uma mensagem privada ao TPD pedindo que mude sua senha de rede para uma nova senha aleatoriamente selecionada;

4. O TPD comuta para a nova chave de rede aleatória;

5. O OD comuta para a nova chave de rede aleatória;

6. A etapa 3 a 5 é repetida diversas vezes;

7. O OD admite o TPD para a rede da fábrica emitindo ao TPD a chave da rede da fábrica.

Ainda em outra modalidade da invenção, o VMD da presente invenção pode entregar comandos a um atuador, que por sua vez é fixado a uma válvula. Tais atuadores são conhecidos no Estado da técnica. A comunicação em dois sentidos entre o VMD e o computador central permite executar esta funcionalidade emitindo abaixo da ligação do PC para o VMD os comandos que são entregues, por sua vez, ao atuador. Em tal caso, o VMD é usado para determinar o status da válvula remotamente atuada, assim, a comunicação inteira entre a válvula atuada e a Gateway é remota.

Ainda em outra modalidade da invenção, o VMD da presente invenção é instalado em qualquer válvula atuada, que é comandada da sala de controle por fios, entretanto, o monitoramento do status da válvula atuada é fornecido por uma ligação sem fio. Isto simplifica parcialmente a instalação eliminando os fios de monitoramento.

Ainda em outra modalidade da invenção, a comunicação de LF entre o OD e o VMD é empregada como uma microrede para fornecer uma comunicação de curto alcance entre sensores nas proximidades do VMD e do OD. A Fig. 8 mostra uma válvula (1) com um VMD (11) sobre ela, comunicando-se com os vários sensores (201) nas proximidades da válvula. A comunicação entre o VMD (11) e o sensor (201) é uma comunicação de baixa frequência em dois sentidos (203). O

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OD (31) também é um dos dispositivos que se comunica com o VMD (11). O OD (31) também tem o módulo de comunicação ZigBee (202) que permite a comunicação com a infra-estrutura de rede. Cada sensor (201) coleta dados por seu transdutor físico (temperatura, pressão, fluxo, etc.), e em períodos de tempo predefinidos emite seus dados ao VMD (11). Esta transmissão de LF (203) inicia a eletrônica de VMD (11), que por sua vez processa os dados de LF recebidos e os retransmite através da ligação ZigBee (202) à infra-estrutura da rede.

Um fluxograma exemplar de VMD (11) é mostrado na Fig. 9. O ciclo geral do fluxograma de VMD começa no modo de repouso (400). O repouso pode ser interrompido por uma das seguintes maneiras:

1. Interrupção do temporizador programado;

2. Solicitação de serviços do transceptor de VDR (o transceptor deve ser permitido previamente através de um comando de LF do OD (31));

3. Mensagem recebida do transceptor de baixa frequência LFT enquanto o LFT é ligado.

Uma interrupção do temporizador programado pode ser uma das seguintes

1. O status da válvula precisa de ser verificado (401);

2. O evento programado 405 recebido do servidor do sistema como:

a. Mude a senha da rede;

b. Inicie o melhoramento do software;

c. Emita o comando de atuação.

Uma vez que o status da válvula é verificado 401, o VMD decide entre três opções:

1. Se o status da válvula mudou, uma mensagem ZigBee é compilada (a mensagem compreende o ângulo da válvula, temperatura, status da bateria, etc., como mencionado previamente) e imediatamente emitida (402).

2. Se o status da válvula não mudou, o VMD (11) verifica se um tempo predeterminado passou da última mensagem do status da válvula. Em caso afirmativo, uma mensagem de manutenção é compilada e emitida imediatamente.

3. Enquanto um tempo predeterminado do último status da válvula não passar, uma mensagem de status não é emitida.

O VMD verifica agora se o estado de LFT precisa ser mudado (o rádio de baixa frequência trabalha em um baixo funcionamento a fim de preservar a vida da bateria) e em caso afirmativo, ele muda a energia para o LFT (403) conformemente.

Uma vez executadas estas etapas, o VMD 11 volta para o repouso.

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O VMD também pode ser iniciado por um pedido do serviço do VDR. Tipicamente, isto significa que uma mensagem de entrada recebida pelo transceptor, espera o processamento. O VMD processa o pedido de serviço (405), e uma vez terminado, volta para o repouso.

O VMD também pode ser iniciado por uma transmissão de entrada do LFT (406). O VMD recebe a mensagem, processa-a, responde caso necessário, e volta para o repouso.

O VMD também pode ser iniciado por um evento programado. Um evento programado vem sob a forma de uma mensagem emitida tanto pelo servidor de rede quanto por qualquer outro dispositivo na rede ou qualquer sensor ou atuador na micro rede. A mensagem é processada, e um evento de temporizador é atribuído. Uma vez que o temporizador ajustado passar, o VMD é iniciado para executá-lo (407). Uma vez executado, o VMD (11) volta para o repouso.

Um diagrama de sequência exemplar que descreve a comunicação de LF, incluindo a interação entre um dispositivo externo (510) (tal como o sensor de processo (201) ou o OD (31)) o LFT (501), e o processador (123) é mostrado na Fig. 10. O LFT (501) é ativado em um baixo funcionamento a fim de preservar a energia da bateria. Uma vez ligado (502) pelo VMD, o LFT espera em um modo de recepção por uma transmissão de entrada.

Qualquer transmissão de entrada deve passar pelo filtro de permissão (503). Uma vez que a transmissão passar pelo filtro de permissão (503), o VMD recebe uma interrupção (504) para uma mensagem de entrada; se não, a transmissão é ignorada.

Pelo recebimento de uma transmissão de LF, o VMD verifica o CRC da mensagem. Se o CRC falhar, uma mensagem de falha do CRC é compilada, se não, o VMD processa a mensagem de entrada e compila uma resposta relevante.

Antes de enviar uma resposta, o VMD verifica para ver se há CCAS (505) (Avaliação do Canal Desobstruído - significando que ninguém está transmitindo atualmente). Se o canal está desobstruído, o VMD emite uma resposta (506). Se não, o VMD espera um curto período aleatório e tenta de novo.

Após um contador de tempo de atividade passar, o VMD desliga (507) o LFT. O contador de tempo de atividade é reiniciado pela recepção de cada transmissão de entrada, a fim de assegurar uma conexão contínua a qualquer dispositivo em atual comunicação com o VMD.

Após um contador de “tempo ocioso” passar, o VDM inicia o LFT. Durante o período de desligamento, o VMD não pode receber nenhuma mensagem de LF

17/17 de entrada. Os dispositivos externos são instruídos, consequentemente, para tentar novamente emitir a mesma mensagem por um período predeterminado.

A micro rede pode incluir as seguintes funções

1. Funções de PDA:

a. Executar a instalação inicial para o VMD, calibração, permissão de transmissão ZigBee (assim considerável energia da bateria pode ser conservada uma vez que o dispositivo não é instalado);

b. Alocar um dispositivo - emitindo um comando LED Flash;

c. Executar uma verificação da qualidade da ligação de LF;

d. Iniciar os sensores e os atuadores externos na micro rede;

2. Funções do sensor:

a. Enviar dados coletados ao VMD, para ser enviado ainda através da rede ZigBee ao servidor de rede;

b. Receber um relógio em tempo real do VMD;

c. Receber um evento programado;

3. Funções do atuador:

a. Enviar o status ao VMD, para ser enviado ainda através da rede ZigBee ao servidor de rede;

b. Receber um relógio em tempo real do VMD;

c. Receber um evento programado;

d. Receber um comando online para a execução;

Como mostrado, a presente invenção fornece um sistema pelo qual o status da pluralidade de válvulas de esfera dentro de uma instalação pode ser monitorado, assim como sensores físicos locais. O sistema compreende os elementos sem fio, tais como VDRs e VMDs que são de custo relativamente baixo, e que podem facilmente ser adaptados para funcionarem com as válvulas de esfera existentes e típicas. O sistema da presente invenção pode facilmente ser instalado dentro de uma instalação industrial existente e típica, é de simples manutenção, inclui elementos de baixo custo, e é muito confiável.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de rede para monitoramento de válvulas (1) em uma instalação industrial, caracterizado pelo fato de compreender:

uma pluralidade de dispositivos de monitoramento de válvula VMDs (11), cada um dos ditos dispositivos de monitoramento (11) sendo fixado externamente a uma válvula (1) existente, e que compreende:

- um sensor (111) para detectar a posição angular da válvula (1);

- uma unidade de comunicação sem fio de curto alcance para transmitir uma mensagem a um ou mais Leitores de Dispositivo de Válvula VDRs - (18) localizados dentro de dito curto alcance, cada mensagem de status incluindo a posição angular da válvula tal como detectada pelo dito sensor (111), juntamente com uma identificação de ditos VMDs (11), em que dita mensagem de status é transmitida pelo menos imediatamente após a detecção de qualquer mudança em dita posição angular da válvula;

- um mecanismo (12) para fixar o dispositivo à válvula (1) monitorada, de uma maneira que não atrapalhe o funcionamento normal da válvula; e

- um ou mais VDRs (18) para receber, de ditos VDMs (11), ditas transmissões de mensagem de status e para transmiti-las para um servidor (21) por meio de comunicação Ethernet.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a comunicação de curto alcance usa um protocolo que é selecionado dentre Bluetooth, WiFi, e ZigBee.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender, adicionalmente, um ou mais dispositivos operacionais portáteis - ODs - (31) utilizados para acionar um VMD (11) selecionado quando estiverem próximos a este a fim de iniciar sua comunicação por mensagem de status de curto alcance, recebendo, com isso, pelo OD (31), dita mensagem de status de maneira a, opcionalmente, coletar, pelo OD (31), tal mensagem de status a partir de uma pluralidade de VMDs (11), e de modo a, posteriormente, baixar a uma ou mais mensagens, conforme coletadas, em um servidor de estação de controle (21), ou de transmitir ditas mensagens a um ou mais VDRs (18) por meio de dita comunicação de curto alcance.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o VMD (11) compreende, adicionalmente, uma unidade de comunicação de alcance muito curto que utiliza o transceptor de baixa frequência (LF) e o

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2/4 protocolo para receber informações de status e de medida a partir de um ou mais sensores de processo industrial, que estão dispostos em um alcance muito próximo de dita posição do VMD, e para incluir, adicionalmente, ditas informações de medida e de status dos sensores de processo industrial recebidas na mensagem de status de VMD ao um ou mais VDRs (18).
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a unidade de alcance muito curto e baixa frequência é uma unidade de comunicação de duas vias, e eme que o sistema compreende, adicionalmente, um ou mais dispositivos operacionais portáteis - ODs (31) para: (a) desencadear dita comunicação de alcance muito curto e baixa frequência de um VMD (11) selecionado, quando estiver(em) próximo(s) a este, de maneira a enviar sua mensagem de status; (b) receber, pelo OD (31), dita mensagem de status do VMD; (c) coletar, pelo OD (31), tais mensagens a partir de um ou mais VMDs (11); e (d) baixar a uma ou mais mensagens, tal como coletadas, em um servidor da estação de controle (21).
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada VMD (11) é operado por bateria.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de fixação (12) compreende um perfil em forma de U.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor é um sensor óptico (150, 151, 130).
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor é baseado em um potenciômetro.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor é baseado em um capacitor variável.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor é baseado em um ímã (301) fixado à haste da válvula (302) e em um dispositivo Hall (303) dentro do VMD (11), o qual mede a posição angular (α) ao medir a mudança do fluxo magnético do ímã (301) enquanto o ímã estiver girando.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a transmissão de uma mensagem de status é, adicionalmente, realizada pelo VMD (11) periodicamente ou mediante recebimento de solicitação por meio de uma transmissão de curto alcance recebida a partir do centro de controle através de um VDR, ou a partir de um dispositivo de operador OD (31).
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato

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3/4 de que o OD (31) atua como um único centro de confiabilidade HOP, admitindo um VMD (11) no sistema ou um dispositivo de terceiros na rede da instalação.
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o OD (31) atua como um único centro de confiabilidade HOP, admitindo um dispositivo de terceiros selecionado a partir de um VMD (11), VDR (18), OD (31) ou de um sensor de processo no sistema.
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o OD (31) admite o VMD (11) na rede através de uma única mensagem hop, não segura, de baixa energia de transmissão, que compreende uma chave de segurança da rede.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o OD (31) admite o VMD (11) na rede através de uma transmissão de baixa frequência, de alcance muito curto, não segura, que compreende uma chave de segurança da rede.
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o OD (31) admite um dispositivo de terceiros na rede através de um conjunto de chaves de senha de mudança de alcance muito curto, dentre as quais a última chave é a chave de segurança da rede.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que nenhum dispositivo pode ser admitido na rede, a menos que seja aprovado por um OD (31) que atue como um único centro de confiabilidade HOP.
19. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o VDR (18) é conectado diretamente à Ethernet através da LAN ou LAN sem fio.
20. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada VDR (18) é acessado através do servidor por meio da Ethernet usando um dado endereço IP que corresponde a seu endereço da rede ZigBee.
21. Dispositivo de monitoramento de válvula VMD (11) fixado externamente a uma válvula existente para o monitoramento do status de uma válvula de esfera (1) dentro de uma instalação industrial, caracterizado pelo fato de compreender:

- um sensor para detectar a posição angular da válvula de esfera;

- uma unidade de comunicação sem fio de curto alcance para transmitir a um ou mais Leitores de Dispositivos de Válvula - VDRs (18), localizados dentro de dito curto alcance, uma mensagem de status, cada mensagem de status incluindo a posição angular da válvula (1) conforme detectada pelo referido

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4/4 sensor, juntamente com uma identificação do referido VMD (11), em que a referida mensagem de status é transmitida, pelo menos, imediatamente após a detecção de qualquer mudança em dita posição angular α da válvula; e

- um mecanismo (12) para fixação do dispositivo à válvula de esfera (1) 5 monitorada, de uma maneira que não atrapalhe o funcionamento normal da válvula de esfera.