tipo de sinal do Hart, Notas de estudo de Engenharia Industrial

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Padr˜ao 4-20mA e Protocolo

HART

Campina Grande, fevereiro 2003

Universidade Federal da Para´ıba Coordena¸c˜ao de P´os-Gradua¸c˜ao em Engenharia El´etrica Disciplina: Instrumenta¸c˜ao Industrial Alunos: Jos´e Alves do Nascimento Neto

Padr˜ao 4-20mA e Protocolo

HART

1 Introdu¸c˜ao

O padr˜ao 4-20mA foi elaborado em 1972 na tentativa de padronizar as redes industriais, ´e um padr˜ao antigo, quando comparado com outros padr˜oes, por´em ainda muito utilizado. E um padr˜´ ao anal´ogico que faz uso de um sinal de corrente na faixa de 4mA a 20mA. Sua utiliza¸c˜ao promove uma independˆencia no que refere ao comprimento dos cabos e tamb´em oferece uma boa imunidade ao ru´ıdo eletromagn´etico. Mesmo em sistemas mais novos como em plataformas da Petrobras ainda encontra-se, no projeto de instala¸c˜ao, redes que utilizam o padr˜ao 4-20mA de- vido ao alto n´ıvel de seguran¸ca exigido nas plataformas mar´ıtimas de petr´oleo e o alto grau de seguran¸ca comprovado do padr˜ao, embora hoje exista uma tendˆencia de substitui¸c˜ao pelo sistema Fieldbus. Tal substitui¸c˜ao dever´a ser gradual e muito cautelosa, para tanto faz-se necess´ario um tempo de aplica¸c˜ao das novas tecnologias no mercado, onde pode-se obter considera¸c˜oes e avalia¸c˜oes em situa¸c˜oes reais. Com a evolu¸c˜ao dos dispositivos e a inser¸c˜ao da tecnologia digital na ind´ustria, e conseq¨uentemente nos dispositivos industriais, foi projetado um protocolo de comunica¸c˜ao digital para transmiss˜ao de informa¸c˜oes a compo- nentes sensores e atuadores, totalmente compat´ıvel com o padr˜ao 4-20mA, chamado protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer ), o qual ser´a discutido mais adiante.

2 O Padr˜ao 4-20mA

Existem en´umeros dispositivos utilizados na ind´ustria, que fazem a convers˜ao de grandezas mecˆanicas em grandezas el´etricas. As grandezas mecˆanicas podem ser convertidas nas mais variadas formas, ou grandezas el´etricas, as quais podemos citar:

• Sinais de Tens˜ao
• Sinais de Corrente
• Sinais de Potˆencia
• Medidas de Restividade
• Outros

A utiliza¸c˜ao de padr˜oes de tens˜ao ´e uma maneira mais simples, do ponto de vista de entendimento, de transmiss˜ao de informa¸c˜ao, n˜ao obstante, v´arios padr˜oes de tens˜ao j´a foram elaborados e utilizados na industria, tais como: 0- 5V, 0-10V, 1-5V, 2-10V. Em especial o padr˜ao 0-5V tornou-se mais conhecido devido a sua aplicabilidade em sistemas microprocessados onde essa tens˜ao ´e mais utilizada na alimenta¸c˜ao do microprocessador. V´arios padr˜oes de corrente tamb´em foram elaborados e utilizados: 1-5mA, 0-20mA, 4-20mA e 10-50mA. A utiliza¸c˜ao dos padr˜oes acima citados se dava da seguinte forma: Para a medi¸c˜ao, por exemplo, de uma faixa de temperatura de 0F at´e 100F, seriam associados 0V e 5V, respectivamente. Em tais aplica¸c˜oes observa-se que um rompimento no circuito que transmite a informa¸c˜ao de tens˜ao (ou corrente, quando a mesma for 0A) pode causar um erro de leitura do valor da tem- peratura, assim quando o valor de tens˜ao (ou corrente) nos terminais atingir o valor 0V (ou 0A) n˜ao se saberia de antem˜ao se isso corresponde a 0F ou a uma falha no circuito. Da´ı surge a id´eia de um padr˜ao que utiliza o ” elevado”, ou seja, o valor mais baixo medido dever´a refletir no conversor em um valor diferente de 0. A utiliza¸c˜ao de padr˜oes de corrente tornou-se mais atraente do que o de tens˜ao, embora um pouco mais complicado de entender, tal padr˜ao trouxe en´umeras vantagens que ser˜ao descritas mais adiante.

Figura 2: Faixa de 4–20mA

• Transmiss˜ao em longas distˆancias sobre o condutor padr˜ao. Isso acon- tece devido ao princ´ıpio utilizado no padr˜ao que ´e de manter uma fonte de corrente alimentando o circuito, respeitada a lei de Ohm, o tamanho do cabo tem pouca influˆencia na transmiss˜ao do sinal.
• Resistˆencia de malha auto ajust´avel.

3.1 O sinal de 4-20mA

Como pode-se perceber o sinal de corrente do padr˜ao 4-20mA possui trˆes faixas distintas, ver figura 2. Um sensor ou atuador de temperatura com uma faixa de opera¸c˜ao que vai desde 40F a 100F possui uma faixa de 60F. Essa faixa deve ser transmi- tida atrav´es da malha de corrente fazendo uso da faixa de 16mA do sinal de 4-20mA. De forma linear podemos ter 40F equivalendo a uma corrente de 4mA na malha de corrente, da mesma forma a temperatura de 100F corre- spondendo `a corrente de 20mA, como mostra a figura 3

3.2 Exemplo de Projeto Utilizando-se o Padr˜ao 4-20mA

A captura do sinal de sinal de 4-20mA pode ser feita de forma extremamente simples e barata, isso devido ao fato de que a maioria dos microcontroladores possu´ırem placas de convers˜ao A/D de 0-5V. Basta fazer uso de um resistor para a convers˜ao do sinal de corrente em sinal de tes˜ao, usualmente pode-se utilizar um resistor de 250 0. Tal resistor produzir´a na entrada do conversor A/D um sinal com uma faixa de 1-5V. Em casos onde outra faixa de tens˜ao precisa ser utilizada basta calcular o valor do resistor correto. Por exemplo, para um sinal de 0-2V podemos

Figura 3: Exemplo

calcular o resistor da seguinte forma: R = 2V / 20 mA = 100 0. Com isso temos que quando a corrente que circula atrav´es do resistor for de 4mA, produzir´a uma tens˜ao de 0,4V no resistor de 100 0 , o qual ainda apresenta a caracter´ıstica de ”Zero elevado”.

3.3 Dispositivos Dispon´ıveis

Existe uma grande variedade de dispositivos no mercado que s˜ao compat´ıveis com os padr˜oes 4-20mA. Temos dispositivos de 2, 3 e 4 fios. A forma de interliga¸c˜ao de tais dispositivos com a fonte de alimenta¸c˜ao pode ser vista na figura 4. E importante salientar que em muitas aplica¸´ c˜oes isoladores podem ser utilizados para eliminar malhas de terra. Existem 2 tipos de isoladores o transformador acoplador e o acoplador ´otico.

5 Protocolo HART

O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer ) foi desen- volvido em 1980 por Rosenmount, que mais tarde fez dele um padr˜ao aberto. Posteriormente o protocolo foi organizado pela HART Communication Foun- dation com mais de 114 companhias membros. O HART provˆe comunica¸c˜ao digital para microprocessador provendo o controle de processos anal´ogicos e controle de instrumentos. Possibilita ent˜ao a utiliza¸c˜ao de dispositivos inteligentes onde anteriormente n˜ao era poss´ıvel. O protocolo ´e 100% compat´ıvel com o sistema 4-20mA podendo utilizar toda a estrutura de cabeamento e de rede j´a instalado, bastando apenas a substitui¸c˜ao do dispositivo antigo, pelo dispositivo ”inteligente”. Originalmente foi projetado para prover calibra¸c˜ao e ajuste de vari´aveis, foi o primeiro esquema digital, bi–direcional para processos sem degradar ou eliminar a parte do sinal anal´ogico, assim o processo pode continuar normal- mente durante a comunica¸c˜ao. O protocolo HART pode ser encontrado em v´arias aplica¸c˜oes, em junho de 1998 estima-se 5 milh˜oes de n´os instalados.

5.1 Hart e a Malha de Corrente 4-20mA

A utiliza¸c˜ao do protocolo HART pode ser melhor entendido quando analisa- mos a malha de corrente do padr˜ao 4-20mA o qual provˆe uma transmiss˜ao de ”mensagens”com frequˆencias abaixo de 10Hz como mostra a figura 8. A parte superior da banda refere-se `a comunica¸c˜ao digital. Utilizando-se o mesmo esquema com a adi¸c˜ao do protocolo HART obte- mos o diagrama simplificado da figura 5, onde em ambos os lados da malha temos um modem e um amplificador. Para enviar mensagens, o processo transmissor liga a fonte AC, isto su- perp˜oe ao sinal de 4-20mA um sinal de alta frequˆencia de 1mA pico a pico. Para enviar a mensagem em outra dire¸c˜ao o controlador fecha a chave Xmit Volt Source o que superp˜oe a uma tens˜ao de 500mV p-p no resistor. A figura 6 exibe uma representa¸c˜ao de uma transmiss˜ao de dados que resulta em uma varia¸c˜ao de 300 a 500mV na tens˜ao do resistor.

Figura 5: Circuito transmissor/receptor simplificado

Figura 6: Tens˜ao Resultante

Figura 8: Sinal no Dom´ınio da Frequˆencia

5.3.2 O Protocolo

A comunica¸c˜ao entre dispositivos que utilizam o protocolo HART ´e do tipo Mestre–Escravo, neste caso o dispositivo escravo s´o transmite quando o mestre requisitar, em geral os dispositivos de campo s˜ao escravos. Neste caso o protocolo permite a inser¸c˜ao de at´e dois mestres, onde um fica em standby, assim, caso haja algum problema na comunica¸c˜ao do mestre com o campo, o outro assume a comunica¸c˜ao imediatamente. Tipicamente tem-se a seguinte situa¸c˜ao:

• O mestre envia um comando e espera uma resposta
• Um escravo espera um comando e envia uma resposta

O comando e a resposta associada s˜ao chamados de Transa¸c˜ao, ver figura 9 Um escravo normalmente tem um ´unico endere¸co, este endere¸co ´e in- serido na mensagem pelo mestre. O endere¸co pode ter de 4 bits at´e 38 bits. Os escravos tamb´em podem ser endere¸cados atrav´es de tags (identificador associados pelo usu´ario).

Figura 9: transa¸c˜ao

Tipicamente cada comando ou mensagem de resposta pode ter de 10 a 30 bytes de acordo com a tabela 10 Existem trˆes tipos de comandos:

1. Universal
2. Comum
3. Propriet´ario

Onde os dois primeiros dizem respeitos `a implementa¸c˜oes j´a encontradas no pr´oprio protocolo. Os comandos propriet´arios s˜ao criados pela pr´opria empresa que utiliza o protocolo.

5.3.3 A rede de Comunica¸c˜ao

O tipo mais comum de rede utilizado nas redes que utilizam o protocolo HART s˜ao do tipo ponto a ponto. Algumas vezes as redes s˜ao configuradas de forma que o n˜ao fazem uso do sinal anal´ogico, utilizam exclusivamente o

Figura 11: Cabo Simples com M´ultiplos Pares

instala¸c˜ao; custo de opera¸c˜ao e manuten¸c˜ao; entre outras. O protocolo HART possibilitou a utiliza¸c˜ao de um sistema digital total- mente compat´ıvel com o sistema anal´ogico 4-20mA, onde pode-se aproveitar toda a rede existente, mudando-se basicamente o controle e os dispositivos de campo. O fato de ser um protocolo aberto atrai bastante os usu´arios em potencial, pois os mesmo ficam isentos de pagar taxas de permiss˜ao de utiliza¸c˜ao.

Referˆencias

[1] HELSON, RON. HART Tutorial Hart Communication Foundation Austin, Texas 78759 USA

[2] LIBONATI, PAULO A. O. Disserta¸c˜ao: Sistema de Aquisi¸c˜ao de Dados Para Laborat´orios, fevereiro de 2002.

[3] SCAICO, A. Padr˜ao 4-20mA, setembro de 2000.

[4] TOVAR, EDUARDO. Introdu¸c˜ao `a Inform´atica Industrial, Janeiro de 1996

[5] NATIONAL INSTRUMENTS, Industrial Automation Tutorial Tutorial

[6] Revista Controle & Instrumenta¸c˜ao – Edi¸c˜ao no^ 50 – Setembro de 2000

[7] http://www.microlink.co.uk/dataaq.html

[8] http://www.analogservices.com/aboutpart0.htm

[9] http://www.kemt.fei.tuke.sk/info/