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FACULDADE DE ENGENHARIAGUARATINGUETÁ
PROTOCOLOPROTOCOLOPROTOCOLOPROTOCOLOHARTHARTHARTHART^ Prof. Agnelo Marotta Cassula
INTRODUÇÃO^ A introdução das redes nas indústrias foi um grandepasso^ para^ o^ desenvolvimento © Agnelo Marotta Cassula
do^ setor^ fabril. Inicialmente, todo o processo era comandado por painéiselétricos^ o^ que^ tornava^ difícil
qualquer^ alteração^ no processo^ de^ produção.^ Com
o^ avanço^ tecnológico surgiram^ os^ CLPs,^ que
substituíram^ os^ painéis oferecendo não só a grande vantagem de tornar flexíveisos processos de produção, como também oferecendo,através^ da^ utilização^
das^ redes^ industriais,^
a possibilidade de controlar e monitorar estes processos. 3
INTRODUÇÃO®^ O^ protocolo^ HART © Agnelo Marotta Cassula
foi^ introduzido^ pela^ FisherRosemount em 1980. HART é um acrônimo de “HighwayAddressable Remote Transducer”. Em 1990 o protocolofoi aberto à comunidade e foi fundado um grupo deusuários.O sistema de redes industriais é dividido por níveis, oprotocolo HART atua sobre nível 0, responsável pelainterligação dos sistemas^ de^ controle^ aos^ dados do equipamento e componentes do processo.
INTRODUÇÃO^ A grande vantagem oferecida pelo protocolo HART© Agnelo Marotta Cassula
®^ é possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cimados cabos 4-20 mA tradicionais. Como a velocidade ébaixa, os cabos normalmente usados em instrumentaçãopodem ser mantidos. Os dispositivos capazes de execu-tarem esta comunicação híbrida são denominados
smart. ®^ O HARTproporciona alguns dos benefícios apontadospor outros^ barramentos^ mais elaborados,^ como^ por exemplo o^ Fieldbus^ e o^ Profibus
,^ mantendo ainda a compatibilidade^ com^ a^ instrumentação
analógica^ e aproveitando^ o^ conhecimento
já^ dominado^ sobre^ os sistemas 4-20 mA existentes.
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INTRODUÇÃO^ Portanto, o protocolo HART © Agnelo Marotta Cassula
®^ permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de4-20 mA, sem interferência, na mesma fiação. O usodessa^ tecnologia^ vem^ crescendo
rapidamente^ e^ hoje praticamente todos os maiores fabricantes de instrumen-tação mundiais oferecem produtos dotados de comuni-®cação^ HART.^ Atualmente
é^ reconhecido^ como^ um padrão da indústria para comunicação de instrumentosde campo inteligentes 4-20 mA, microprocessados.
PROTOCOLO HART © Agnelo Marotta Cassula
Há vários anos a comunicação de campo padrão usadapelos equipamentos de controle de processos tem sido osinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Na maioriadas aplicações, esse sinal de corrente varia dentro dafaixa de 4 a 20 mA, e em função da corrente enviada, osistema^ de^ controle^ opera,
atualizando^ a^ variável^ de processo representada naquele valor. Todos os sistemasde controle de processos de planta virtualmente usam estepadrão^ internacional^ para
transmitir^ a^ informação^
da variável do processo. 7
PROTOCOLO HART © Agnelo Marotta Cassula
Uma^ característica^ vantajosa
®^ do protocolo HARTé^ a possibilidade^ de^ comunicação
digital^ bidirecional^ em equipamentos de campo inteligentes sem interferir no sinalanalógico de 4-20 mA.Portanto, os sinais analógico 4-20 mA e digital HART
® podem^ ser^ transmitidos^ na
mesma^ fiação^ sem^ causar nenhum^ tipo^ de^ interferência
entre^ os^ sinais,^ sendo^ a variável primária e a informação do sinal transmitidos pelo4-20^ mA,^ ao^ passo^ que
as^ medições^ adicionais, parâmetros^ de^ processo,^
configuração^ do^ instrumento, calibração^ e^ as^ informações
de^ diagnósticos^ são disponibilizadas na mesma fiação e ao mesmo tempo.
PROTOCOLO HART © Agnelo Marotta Cassula
®^ O Protocolo HARTusa o^ padrão^ Bell^ 202,^ sendo modulado em FSK - Frequency Shift Key (Chaveamentopor Deslocamentos de Freqüência). Para transmitir “1” éutilizado um sinal de 1 mA pico a pico na freqüência de1.200 Hz e para transmitir “0” a freqüência de 2.400 Hz éutilizada.®^ O HARTpermite a utilização de diferentes meios físicos:FSK sobreposto ao 4-20mA, RS-232 e RS-485. Porém, oFSK^ sobreposto^ ao^ 4-20mA
cobre^ mais^ de^ 95%^ dos ®^ equipamentos HARTde^ mercado.^ A^ Figura^ a^ seguir mostra o como é feita esta comunicação híbrida, analógicae digital, no mesmo cabo.
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® O SINAL HART® O sinal HARTFSK possibilita a comunicação digital emduas vias, o que torna possível a transmissão e recepçãode informações adicionais, © Agnelo Marotta Cassula
além^ da^ normal,^ que^ é^
a variável^ de^ processo,^ em
instrumentos^ de^ campo inteligentes. O protocolo HART
®^ se propaga há uma taxa de 1.200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitandoduas ou mais atualizações por segundo vindas de umúnico instrumento de campo.
® REDE HART Os elementos que compõe a rede HART são: o par de fios(em geral trançados,^ blindados © Agnelo Marotta Cassula
e^ aterrados),^ fonte^ de alimentação, equipamentos de campo conectados em sériee/ou paralelo, impedâncias associadas, um controlador epelo^ menos^ um^ mestre^ primário^ ou^ secundário^ (sendo comum^ a^ utilização^ dos^
dois)^ que^ seria^ o^ configurador portátil.^ Os^ parâmetros^ individuais
dos^ instrumentos^ de campo são ajustados através do configurador portátil queincluem: escala, unidade de engenharia, filtros, relação entrea^ entrada^ e^ saída^ (ou^ seja,
tipo^ de^ resposta^ que^ cada equipamento^ emite^ em^
função^ do^ tipo,^ magnitude
e comportamento das grandezas de entrada) tipo de válvula,limites de segurança, e outros. 15
® REDE HART O diagnóstico e manutenção © Agnelo Marotta Cassula
são^ feitos^ pelo^ mestre primário através da sala de controle onde o controladorapenas lê o sinal analógico da variável primária medidae, conseqüentemente, gera um sinal de controle para avariável manipulada, partindo de um ponto (
set-point) ajustado pelo operador.A Figura a seguir ilustra a aplicação do HART em umsistema industrial onde uma válvula tem suas variáveismonitoradas e controladas.
TOPOLOGIA Uma^ instalação^ típica^ © Agnelo Marotta Cassula
com^ dois^ mestres^ acessandoinformação de um mesmo equipamento de campo (escravo)é mostrada na figura abaixo. O modem HART é o elemento mais importante, pois transforma a comunicaçãoserial em modulação FSK onde o bit ‘1’ é modulado em 1.200 Hz e o bit ‘0’ em2.200 Hz (conforme padrão anteriormente citado).
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® REDE HART A Figura anterior mostra um transmissor (de nível, pressãoou vazão, por exemplo) conectado a um elemento final decontrole, no caso, a válvula de controle. A conexão érealizada por um sistema de controle convencional de 4-20mA. Existe ainda a^ conexão © Agnelo Marotta Cassula
ao^ sistema^ central^ de supervisão. A incorporação do HART permite que níveisde informação mais sofisticados possam ser transmitidossobrepostos ao sinal de 4-20 mA convencional e, comisso,^ um^ nível^ de^ controle
e^ de^ documentação^ mais avançado pode ser obtido. A comunicação via RS 232permite^ o^ monitoramento completo,^ a^ confecção^
de relatórios e alimentação de bancos de dados.
TOPOLOGIA Deve haver uma resistência de no mínimo 230 ohms entre afonte de alimentação e o instrumento para a rede funcionar.O^ terminal^ handheld^ deve © Agnelo Marotta Cassula
ser^ inserido^ sempre^ entre
o resistor e o dispositivo de campo. 19
TOPOLOGIA®^ O^ protocolo^ HARTbaseia-se © Agnelo Marotta Cassula
numa^ estrutura^ mestre- escravo, o que significa que um instrumento de campo(escravo) somente “responde” quando “perguntado” porum mestre. Dois mestres (primário e secundário) podemse comunicar com um instrumento escravo em uma rede®HART.^ Os^ mestres^ secundários
são^ geralmente representados^ por^ terminais
portáteis^ (handheld)^ de configuração e calibração, e podem ser conectados emqualquer^ ponto^ da^ rede e^ se^ comunicar^ com^
os instrumentos^ de^ campo^
sem^ provocar^ distúrbios^
na comunicação com o mestre primário.
TOPOLOGIA^ O^ mestre^ primário^ é^ tipicamente © Agnelo Marotta Cassula
um^ SDCD^ (Sistema Digital^ de^ Controle^ Distribuído),
um^ CLP^ (Controlador Lógico Programável), um controle central baseado emcomputador^ ou^ um^ sistema
de^ monitoração.^ A comunicação entre o(s) mestre(s) e o instrumento é feitade^ forma^ ininterrupta^ e^ em
tempo^ real,^ para^ que^ um sistema de manutenção possa verificar a condição doequipamento.
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COMUNICAÇÃO PONTO-A-PONTO^ Comunicação HART em modo ponto-a-ponto,suportada por alguns dispositivos.© Agnelo Marotta Cassula
COMUNICAÇÃO MULTIDROP A comunicação multiponto ( © Agnelo Marotta Cassula
multidrop) se caracteriza pela conexão de vários equipamentos interligados por um únicopar de fios, comunicando-se de forma digital. Em uma redemultiponto cada equipamento possui um endereço único,ou seja, cada equipamento é um nó na rede.Apesar da comunicação ponto-a-ponto ser a mais utilizada,®^ a versão 5 do HARTpermite que até 15 equipamentosestejam conectados a um mesmo par de fios, além dosdois mestres. No caso de equipamentos com segurançaintrínseca (equipamentos para uso em áreas classificadas,ou^ seja,^ em^ atmosferas^
explosivas),^ o^ limite^ é^ de
equipamentos por par de fios. 27
COMUNICAÇÃO MULTIDROP^ As instalações^ multidrop^ © Agnelo Marotta Cassula
não utilizam o sinal de 4-20 mApara transmitir a variável principal (PV). Neste caso o valorda corrente é mantido no seu nível mínimo de 4 mA e ovalor da PV deve ser lido através de uma mensagem®^ explícita, utilizando um mestre^ HARTpor^ malha.
O
equipamento^ deverá^ ser^ configurado^ para^ um^ dos^
endereços^ multidrop^ válidos.A grande deficiência da topologia
multidrop^ é que o tempo de ciclo para leitura de cada dispositivo é de cerca de 0,5segundo, podendo alcançar 1 segundo. Neste caso para15 dispositivos o tempo será de 7,5 a 15 segundos, o queé muito lento para grande parte das aplicações.
COMUNICAÇÃO MULTIDROP^ Rede HART em topologia© Agnelo Marotta Cassula
multidrop.
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CABOS^ A distância máxima do sinal HART © Agnelo Marotta Cassula
®^ é de cerca de 3. m com cabo com um par trançado blindado e de 1.500 mcom^ cabo^ múltiplo^ com^ blindagem^ simples.^ Existem barreiras^ de^ segurança^
intrínseca^ especiais^ que permitem o tráfego do sinal HART
Características:• Mesmo cabo usado hoje.• Limitações de comprimento similares.• Compatibilidade com sistema telefônico para grandesdistâncias.
CABOS © Agnelo Marotta Cassula 31
CABOS^ O fator mais limitante do comprimento do cabo é suacapacitância. Quanto maior a capacitância e o númerode dispositivos, menor a distância máxima permitida.© Agnelo Marotta Cassula
COMANDOS HART Todo dispositivo HART deve aceitar um repertório mínimode^ comandos^ denominados © Agnelo Marotta Cassula
Comandos^ Universais^ ou Common^ Practice^ Commands
.^ Para^ cada^ dispositivo existem^ comandos^ particulares
denominados^ Device Specific Commands. Os Comandos Universais assegurama interoperabilidade entre os dispositivos de campo.^ Comandos Universais^
Comandos Específicos do^ Dispositivo Leitura de variáveis^
Funções específicas do modelo Mudança de limite inferior e superior^
Opções especiais de calibração Ajuste de zero e span^
Iniciar, parar e resetar totalizador Inicia auto teste^
Selecionar variável primária Número de série^
Habilitar PID, mudar Set Point Valores de constantes de tempo^
Ajustar parâmetros de sintonia Todos os Comandos Específicos são opcionais, mas se existentesdevem ser implementados segundo a especificação.
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MULTIPLEXADORES^ Multiplexador da Emerson© Agnelo Marotta Cassula
EXEMPLO DE APLICAÇÃO^ A^ flexibilidade^ do^ Protocolo © Agnelo Marotta Cassula
®^ HARTé^ mostrada^ no diagrama de controle da Figura a seguir. Essa aplicaçãousa^ a^ capacidade^ inerente
®^ ao Protocolo HARTde transmitir tanto sinais 4-20 mA analógicos como sinaisdigitais de comunicação, simultaneamente pela mesmafiação. Nessa aplicação, o transmissor HART
®^ tem um algoritmo^ interno^ de^ controle
PID.^ O^ instrumento^ é configurado de modo que o
loop^ de corrente 4-20 mA seja proporcional à saída de controle PID, executado noinstrumento (e não à variável medida, p.e., a pressão).Uma vez que o^ loop^ de corrente é controlado pela saídade^ controle^ do^ PID,^ este
é^ utilizado^ para^ alimentar diretamente o posicionador da válvula de controle. 39
EXEMPLO DE APLICAÇÃO Uma economia substancial pode ser obtidaatravés dessa arquitetura de controle.© Agnelo Marotta Cassula
A^ malha^ de^ controle^ é executada^ inteiramenteno campo, entre o trans-missor (com PID) e a vál-vula. A ação de controleé contínua como no sis-tema tradicional; o sinalanalógico^ de^ 4-20^ mAcomanda^ a^ válvula.Através da comunicaçãodigital HART o operadorpode mudar o “set-point” da malha de controle eler a variável primária oua saída para o posiciona-dor da válvula.
APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA HART^ O^ protocolo^ HART^ pode © Agnelo Marotta Cassula
ser^ utilizado^ em^ diversos sistemas de monitoramento e controle de equipamentosde campo, como exemplo será tratado o Sistema deDiagnóstico e Manutenção (SDM).A^ comunicação^ HART^ é^
utilizada^ de^ forma^ intensiva neste tipo de sistema, com o objetivo de aumentar aeficiência e a disponibilidade dos equipamentos com omenor custo de manutenção possível.Paradas programadas de equipamentos não podem serevitadas fazendo uso da manutenção dos instrumentosde campo, além de também não impedir que as malhasde controle operem em condições indesejáveis.
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CLASSIFICAÇÕES DE MANUTENÇÃO^ A manutenção pode ser classificada em© Agnelo Marotta Cassula
corretiva^ - onde o equipamento é reparado ou substituído apenas quandoocorre^ uma^ falha;^ preventiva
-^ o^ intervalo^ entre^ as manutenções é definido pelo fabricante;
preditiva^ - os intervalos^ de^ manutenção
são^ baseados^ em recomendações do fabricante, estatísticas da aplicaçãoparticular e nas condições do processo;
proativa^ - é a mais interessante em termos econômicos, pois explora acapacidade de autodiagnóstico dos equipamentos HART.Estes equipamentos reportam continuamente seu estadopara o SDM e, com isso, um mau funcionamento pode serdetectado e corrigido antes que haja uma parada, assim,alcançando o máximo de utilização do equipamento.
APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA HART A^ verificação^ permanente © Agnelo Marotta Cassula
do^ estado^ dos^ equipamentospode ser obtida através^ de^ um^ sistema^ on-line
de diagnóstico e manutenção. A Figura a seguir exemplificauma^ infra-estrutura^ de^ hardware
que^ proporciona^ este benefício,^ onde^ as^ informações
são^ periodicamente coletadas^ e^ analisadas^
obtendo^ a^ probabilidade^
de acontecer^ uma^ falha.^ Na^
mesma^ Figura^ observa-se
a utilização^ de^ módulos^
(HI302)^ responsáveis^ pela compatibilização entre os equipamentos HART e o sistema Foundation Fieldbus. Desse modo um sistema baseado em Foundation Fieldbus^ consegue as informações pertinentespara o monitoramento de cada instrumento HART. 43
APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA HART^ Gerenciamento de válvulas inteligentes HART.© Agnelo Marotta Cassula
APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA HART^ A^ Figura^ abaixo^ demonstra © Agnelo Marotta Cassula
a^ arquitetura^ de funcionamento do SDM.
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HART, PROFIBUS e DEVICENET.^ É conhecido a ampla gama de ofertas na área de redesindustriais. Fatores técnicos e econômicos devem seranalisados^ para^ implementação © Agnelo Marotta Cassula
racional^ de^ uma^ das tecnologias disponíveis. Entre as tecnologias disponíveishá^ uma^ grande^ popularidade
da^ PROFIBUS^ e^ da DEVICENET.
PROFIBUS^ A^ rede^ PROFIBUS^ é^ um © Agnelo Marotta Cassula
padrão^ aberto^ de^ rede^ de comunicação industrial que permite a comunicação entredispositivos^ de^ diferentes
fabricantes^ através^ de transmissão de dados em alta velocidade em tarefascomplexas e extensas de comunicação.A^ PROFIBUS^ usa^ como
meios^ físicos^ típicos^ de comunicação o sistema RS 485 e mesmo a fibra óptica. 51
DEVICENET^ A DEVICENET é uma rede usada para interligação deequipamentos de campo, tais como sensores, atuadores,acionadores de motores elétricos e CLPs. Como meiofísico usa-se um par de fios de comunicação associado aum^ par^ de^ fios^ dedicado © Agnelo Marotta Cassula
à^ alimentação^ em^ correntecontínua.Os sinais de comunicação utilizam a técnica de tensãodiferencial para os níveis lógicos. Com isso reduz-se ainterferência eletromagnética^ uma^ vez^ que^ eventuaisruídos dessa natureza são induzidos igualmente nos doisfios e anulados pela diferenciação da tensão.
COMPARATIVO DAS TECNOLOGIAS© Agnelo Marotta Cassula
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APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA HART© Agnelo Marotta Cassula
CONCLUSÃO^ Não há, evidentemente, um tipo perfeito de rede. Seriainfrutífero tentar apresentar qualquer desses tipos comouma solução universal. É importante, porém, dentro deum contexto de aplicação e de relação custo/benefícioanalisar as características próprias de cada solução einvestigar as potencialidades.Os^ pontos^ de^ comparação © Agnelo Marotta Cassula
mais^ notáveis^ na^ tabela apresentada^ são:^ topologia
de^ utilização,^ método^ de comunicação,^ número^ de
estações^ ativas,^ distância máxima, comprimento máximo e velocidade da rede. 55
CONCLUSÃO^ O^ HART^ em^ contraste © Agnelo Marotta Cassula
com^ as^ outras^ tecnologiasdemonstra uma certa flexibilidade quanto ao método decomunicação. Embora seu uso clássico seja na formaMestre/Escravo, também^ é^ possível^ a^ utilização de outros^ métodos^ (como^ passagem
de^ Token,^ Byte Oriented^ ou^ Binary). Esta flexibilidade torna o HART maisadaptável a certas arquiteturas de controle que de outraforma teriam de ser substituídas.
CONCLUSÃO^ Por^ outro^ lado^ a^ velocidade © Agnelo Marotta Cassula
de^ transmissão^ é decididamente^ bem^ baixa.
Dificilmente^ poderia^ ser apresentado^ um^ quadro^ em^ que^ essa^ característica negativa torne-se vantajosa. Portanto, esse parâmetrodeve^ ser^ levado^ em^ conta
ao^ se^ analisar^ as características de desempenho desejadas.
