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O protocolo digital HART
Introdução
Atualmente muito se fala em termos de redes fieldbus mas tem- se muitas aplicações rodando em HART (Highway Addressable Remote Transducer), tendo vantagens com os equipamentos in- teligentes e utilizando-se da comunicação digital de forma flexível sob o sinal 4-20mA para a parametrização e monitoração das informações.
Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil ca- libração, ajustes de range e damping de equipamentos analógicos. Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle.
Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de apli- cações, em vários segmentos, mesmo em ambientes perigosos.O HART permite o uso de mestres: um console de engenharia na sala de controle e um segundo mestre no campo, por exemplo um laptop ou um programador de mão.
Em termos de performance, podemos citar como características do HART:
- Comprovado na prática, projeto simples, fácil operação e ma- nutenção.
- Compatível com a instrumentação analógica;
- Sinal analógico e comunicação digital;
- Opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop;
- Flexível acesso de dados usando-se até dois mestres;
- Suporta equipamentos multivariáveis;
- 500ms de tempo de resposta(com até duas transações);
- Totalmente aberto com vários fornecedores;
As especificações continuamente são atualizadas de tal forma a atender todas as aplicações.
Veremos a seguir alguns detalhes do protocolo HART.
A simplicidade: o HART e o loop de corrente
convencional
As figuras 1 e 2 nos mostram como entender o HART facilmente.
Na figura 1, temos um loop de corrente analógica, onde os sinais de um transmissor variam a corrente que passa por ele de acordo com o processo de medição.O controlador detecta a variação de corrente através da tensão sob um resistor sensor de corrente. A corrente de loop varia de 4 a 20mA para freqüências usualmente menores que 10 Hz.
César Cassiolato - Diretor de Marketing - [email protected]
SMAR Equipamentos Industriais Ltda
Figura 01 - Loop de corrente convencional
A figura 2 é baseada na figura 1, onde o HART foi acrescido.Agora ambas terminações do loop possuem um modem e um amplifi- cador de recepção, sendo que este possui alta impedância de tal forma a não carregar o loop de corrente. Note ainda que o trans- missor possui uma fonte de corrente com acoplamento AC e o controlador uma fonte de tensão com acoplamento AC. A chave em série com a fonte de tensão no controlador HART em ope- ração normal, fica aberta.No controlador HART os componen- tes adicionais podem ser conectados no loop de corrente, como mostrado ou através do resistor sensor de corrente. Do ponto de vista AC, o resultado é o mesmo, uma vez que a fonte de alimenta- ção é um curto-circuito. Note que o sinal analógico não é afetado, uma vez que os componentes adicionados são acoplados em AC. O amplificador de recepção freqüentemente é considerado como parte do modem e usualmente não é mostrado separadamen- te. Na fig.2 foi desenhado separadamente para mostrar como se deriva o sinal de tensão de recepção. O sinal de recepção não é somente AC, nem no controlador ou mesmo no transmissor.
Figura 02 - Loop de corrente acrescido o HART
Para enviar uma mensagem, o transmissor ao ligar sua fonte de corrente, fará com que se sobreponha um sinal de corrente de 1mA pico-a-pico de alta freqüência sobre o sinal analógico da cor- rente de saída. O resistor R no controlador converterá este sinal em tensão no loop e esta será amplificada no receptor chegando até ao demodulador do controlador(modem). Do mesmo modo, para enviar uma mensagem ao transmissor, o controlador fecha sua chave, conectando sua fonte de tensão que sobrepõe um ten- são de aproximadamente 500mV pico-a-pico através do loop.Esta é vista nos terminais do transmissor e encaminhada ao amplifi- cador e demodulador.Note que existe uma implicação na fig. que é que o mestre transmita como fonte de tensão enquanto o escravo, como fonte de corrente.A figura 3 mostra detalhes do sinal HART, sendo que as amplitudes podem variar de acordo com as impedâncias e capacitâncias de cada equipamento e perdas cau- sadas por outros elementos no loop.O HART se utiliza do FSK, chaveamento por mudança de freqüência(Frequency Shift keying), onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz, representa o 0 binário.Note que estas freqüências estão bem acima da faixa de freqüências do sinal analógico(0 a 10 Hz) de tal forma que não há interferências entre elas.Para assegurar uma comunicação confiável, o protocolo HART especifica uma carga total do loop de corrente, incluindo as resistências dos cabos, de no mínimo 230 Ohms e no máximo 1100 Ohms.
Figura 03 - Sinal HART
Equipamentos de campo e handhelds(programadores de mão) possuem um modem FSK integrado, onde via port serial ou USB de um PC ou laptop pode-se conectar uma estação externa- mente. A figura 4 mostra uma conexão típica entre um device Host e um equipamento de campo, onde usualmente se tem co- municação ponto-a-ponto.Veremos posteriormente, outros tipos de conexões. Em uma conexão do tipo ponto-a-ponto, como a
Figura 04 - Conexão de equipamentos mestres HART
da figura 4, é necessário que o endereço do equipamento seja configurado para zero, desde que se use o modo de endereço na comunicação para acessá-lo.
Em sistemas considerado grandes, pode-se utilizar-se de multi- plexadores para acessar grandes quantidades de equipamen- tos HART, como por exemplo na figura 5, onde o usuário de- verá selecionar o loop de corrente para comunicar via Host. Nesta situação em cascata, o host pode comunicar com vários equipamentos(mais do que 1000), todos com endereços zero.
As camadas(layers) do HART
O HART foi desenvolvido segundo o modelo OSI, de acordo com a figura 8. O meio físico
Figura 8 – Modelo do protocolo HART segundo o modelo OSI
Como visto anteriormente, o HART se utiliza do sinal de 4-20mA, sobrepondo um sinal em técnica FSK, chaveamento por mudança de freqüência(Frequency Shift keying), onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz representa o 0 binário. Cada byte individual do telegrama do layer 2 é transmitido em 11 bits, usando-se 1200 kHz.
Cabeamento
Utiliza-se um par de cabos trançados onde deve-se estar atento à resistência total já que esta colabora diretamente com a carga total, e agindo na atenuação e distorção do sinal.Em longas linhas e sujeitas a interferências, recomenda-se o cabo com shield, sendo este aterrado em um único ponto, preferencialmente no negativo da fonte de alimentação.Segue algumas dicas de distribuição do cabeamento, aterramento e shield (blindagem):
- Para curtas distancias, pode-se usar cabos com 0,2 mm2 e sem shield.
- Para distancias até 1500m, recomenda-se usar cabos de par trançados com 0,2 mm2 e com shield.
- Para distancias até 3000m, recomenda-se usar cabos de par trançados com 0,5 mm2 e com shield.
- Deve-se assegurar a continuidade da blindagem(shield) do cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo.E ainda, esta deve ser aterrada somente em um ponto, pre- ferivelmente na fonte de alimentação. O shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores, splices e caixas de distribuição e junção.
- Isolar sinal HART de fontes de ruídos, como cabos de força, motores, inversores de freqüência.Colocá-los em guias e ca- lhas separadas.
- Quando utilizar cabos multivias, não misturar sinais de vários protocolos.
- Em relação ao aterramento, deve-se ter uma impedância de
terra suficientemente baixa com capacidade de dreno sufi- ciente para conduzir e prevenir picos de tensão.Deve-se evi- tar múltiplos terras.
- Evitar loops de terra: quando se tem vários equipamentos aterrados a um terra comum por caminhos diferentes, crian- do diferenças de potenciais que podem danificar os equipa- mentos.
- Possíveis fontes de captação de ruído ou de distorções do sinal de comunicação podem ser citadas: · Sistema de aterramento totalmente desbalanceado. · Estruturas metálicas mal aterradas ou isentas de aterramento. · Presença de laços com grande área de acoplamento magnético.
- O loop de terra do sinal AC determina um circuito elétrico AC, alimentado pela tensão de desbalanceamento do terra e a interferência será tão maior quanto maior for o nível de- tensão do ruído e quão próxima for a freqüência do ruído da freqüência do sinal de comunicação.
- Estruturas metálicas mal aterradas ou isentas de aterramento podem servir de antena, captando ruídos de tal energia que poderia fazer com que o circuito AC passe a conduzir cor- rentes que possam interferir na qualidade do sinal de comu- nicação.Este fenômeno, denominado indução magnética, pode ser minimizado com a implementação de um circuito de re- torno próximo ao cabeamento do barramento. Se o sistema de bandejamento e de dutos criar um circuito ininterrupto de retorno junto ao cabeamento, o laço pode ser minimizado, diminuindo a área de acoplamento. Normalmente, o proble- ma resultante deste tipo de falha de instalação, em plantas operando normalmente, não será aparente, e caso ocorra um desbalanceamento de terra, o problema trará conseqüências desastrosas ao sistema, com danos permanentes nos equipa- mentos.
- Para detectar a presença de aterramento em múltiplos pon- tos, recomenda-se, uma vez terminada a instalação, abrir cada ponto de aterramento e realizar a medição da impedância deste ponto para o terra (megagem – a impedância lida deve ser bastante alta, da ordem de alguns Mega Ohms).
- Se a impedância lida for baixa, isto indica que algum ponto da linha deve estar em contato com o terra (curto com a carcaça, conexão de equipamentos não isolados com os sen- sores aterrados, etc..) e o curto deve ser desfeito.Lembrar que as recomendações são válidas não apenas para o sinal, mas também, para a própria blindagem dos cabos. Uma das ocorrências mais comuns é abandonar o shield dos cabos mal acabado no bandejamento ou no próprio invólucro dos equipamentos e isto pode levar a curtos indesejáveis com a carcaça. A prática recomenda que se faça também a megagem da blindagem. As megagens do sinal e da blindagem devem ser sistemáticas, repetindo sempre que se faça algum tipo de manutenção nos dispositivos ou na cablagem. Qualquer ma- nuseio em qualquer uma destas partes pode ocasionar um curto para a carcaça, principalmente se o acabamento dos cabos for mal executado (curto ao fechar a tampa, curto ao manipular os cabos nas bandejas, etc).
- Deve-se sempre estar atento as normas de segurança se- gundo as exigências dos órgãos certificadores e conforme a aplicação.
Layer 2
O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre. A figura 9 mostra de maneira simples o modelo de troca de dados entre mestre e escravo.Toda comu- nicação é iniciada pelo mestre e o escravo só responde algo na linha se houve um pedido para ele.Existe todo um controle de tempo entre envios de comandos pelo mestre. Inclusive existe um controle de tempo entre mestres quando se tem dois mestres no barramento.
Figura 9 – Modelo de comunicação Mestre-Escravo de troca de dados no HART Em termos de serviços de comunicação, o HART provê 3 tipos:
- Comandos padrões: onde se tem a troca de dados entre mestres/escravos;
- Comandos em broadcast: que são comandos que todos os equipamentos recebem;
- Modo burst: onde alguns equipamentos ciclicamente a cada 75ms envia na linha o valor de processo medido.Normalmen- te, tem-se duas transações por segundo.Neste modo, pode- se ter quatro por segundo.
Figura 10 – Frame padrão de um comando HART. Na figura 10 podemos ver um frame padrão do HART, onde:
- Preâmbulo: pode ser 3 ou mais bytes FF de sincronismo dos sinais da mensagem.
- SD: é o byte que indica quem está enviando o frame: mestre, escravo ou o escravo em burst mode e ainda, qual o formato, long or short.
- AD: é o campo de endereço onde no formato short com um byte, possui um bit de distinção entre os dois mestres possíveis e um para indicar burst mode.Em equipamentos de campo, 4 bits são usados para o endereço, de 0 a 15.No caso do formato long, o endereço tem 38 bits.
- CD: este é o byte que identifica o comando HART que vai depender do layer 7, isto é, da aplicação.Os comandos são divididos em classes: universais, comuns e de acordo com o fabricante.
- BC: indica o comprimento da mensagem.No HART o com- primento máximo é 25 bytes. - Status: são dois bytes que indicam a condição do equipamen- to. Quando iguais a zero, o equipamento está OK. - Data: são os dados transmitidos e que podem ser em vários formatos onde os equipamentos converterão conveniente- mente. - Parity: contem o checksum, atendo HD = 4 (Hamming dis- tance).
Em um frame usando formato short, teremos 25 bytes mais 10 bytes de controle. Como usa 11 bits, teríamos:
- 11*35 = 385 bits transmitidos
- o tempo por bit é de : 1/1200 bit/s = 0.83ms
- o tempo total de transação é de = 385*0.83ms = 0.319s
- o tempo de transação do 25 bytes(dados de usuário) é = 0.319s/25 = 12.8ms
A relação entre o tempo de dados de usuário e o tempo total de transação é: 25 * 8 bits / 385 bits = 52 %.
Observe que em mensagens mais curtas, a proporção entre o dado de usuário e o dado de controle pode chegar a 128ms para um byte de dado de usuário.Em geral, tem-se um tempo de 500ms para garantir duas transações mais alguma informação adicional de manutenção e sincronização.
Application Layer(Camada de Aplicação)
Como explicado anteriormente, o HART é baseado em coman- dos que uma vez recebidos pelos escravos, permitem certas ações.Estes comandos estão divididos em classes:
- Universais: comandos usados e compreendidos por todos equipamentos HART;
- Práticos e Comuns: suportados pela maioria dos equipamen- tos HART e de acordo com a função do equipamento;
- Específicos de cada equipamento conforme o fabricante: são dependentes das características particulares de cada equipa- mento/fabricante.
Figura 11 – Comandos Universais
A convivência de vários protocolos em uma
mesma planta
Daqui para frente é esperado que a convivência entre vários pro- tocolos torne-se uma constante, principalmente onde o parque instalado for grande e deseja-se preservar os investimentos feitos. A figura 17 é um exemplo típico de sistema onde se tem em uma mesma planta os protocolos Foundation Fieldbus e HART.Neste caso, uma interface HART-FF, o HI302, é utilizado, permitindo con- exões ponto-a-ponto e multidrop. O HI302 é uma ponte entre equipamentos HART e sistemas Foundation Fieldbus, possui 8 ca- nais HART master e permite ao usuário executar manutenção, calibração, monitoramento de status do sensor, status geral do equipamento, dentre outras informações.
Figura 17 – Integração Foundation Fieldbus e HART usando o HI
O uso de FDT e DTMs na configuração de equi-
pamentos HART
A tecnologia baseada em FDT( Field Device Tool) e DTM(Device Type Manager) permite ao usuário ganhar versatilidade e flexibili- dade de configuração, parametrização, calibração e principalmente mecanismos de download e upload durante a fase de planeja- mento/comissionamento dos projetos. É uma tecnologia aberta, e que permite que um DTM de um equipamento de campo rode em qualquer frame application suportando FDT e ainda permite usar um único ambiente de software para integrar produtos de diferentes fabricantes e protocolos. O DTM é um “driver”, ou seja, é um componente de software (DLL, EXE) que representa cada equipamento que estiver na planta. Este “driver” obedece à norma FDT e pode ser usado em qualquer Frame Application, independente do fabricante. A figura 18 mostra um configurador baseado nesta tecnologia e o DTM do LD301.
Conclusão
Pudemos ver alguns detalhes do protocolo aberto HART, com uma visão um pouco diferente do que se tem em nível de usuário, isto é, envolvendo detalhes técnicos deste padrão. Além disso, vi- mos o quê se tem em termos de desenvolvimento de chips HART avançados e os benefícios em performance, recursos e funcionali- dades de um transmissor de pressão com este desenvolvimento. E ainda, a integração de fieldbus com HART e o uso do FDT e DTM na configuração HART.
Referências:
_- Material de treinamento LD301 Smar, César Cassiolato, 2003.
- Manuais de equipamentos HART Smar.
- www.smar.com.br_
Figura 18 – Utilização de FDT e DTM com o HART
