Protocolo HART

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O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) é um protocolo utilizado para comunicação entre sistemas de tempo real, principalmente em aplicações de automação industrial.

O protocolo HART permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART proporciona alguns dos benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20mA existentes. Para Transmitir o sinal digital juntamente com o analógico, utiliza-se a técnica de FSK (frequency shift key) no qual um sinal senoidal de corrente pico-a-pico de 1mA na frequência de 1200Hz significa "1" e 2200Hz significa "0".

Há algumas limitações na utilização desse padrão de comunicação. Por exemplo, pode-se ter uma configuração mestre-escravo utilizando sinal analógico e digital no mesmo par de fios. Essa configuração só é possível para um escravo no par de fios. Para a utilização de mais de um dispositivo, o sinal analógico é desprezado. A corrente que era usada na comunicação analógica fica definida em 4ma todo o tempo (apenas para a alimentação dos dispositivos), e os sinais de controle são trasmitidos nas freqüências conhecidas 1200KHz-2200KHz. Pode-se configurar até 15 dispositivos nesse modo.

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Capacidade Digital • Acesso a todos os parâmetros e diagnóstico do instrumento • Suporta instrumentos multivariáveis • Acompanhamento online do instrumento

Compatibilidade Analógica • Comunicação analógica e digital simultânea • Compatível com fiação e equipamentos 4-20 mA já existentes

Interoperabilidade • Padrão de facto totalmente aberto • Comandos universais e estrutura de dados • Otimizado pela Linguagem de Descrição do Instrumento

Disponibilidade • Tecnologia provada em campo com mais de 1.400.000 instalações • Crescente variedade de produtos • Mais usado em instrumentos de campo do que qualquer outro protocolo na indústria

Introdução O protocolo de comunicação HART® é mundialmente reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, microprocessados. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores fabricantes de instrumentação mundiais oferecem produtos dotados de comunicação HART®. O protocolo HART® permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART® proporciona alguns dos benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20mA existentes. Este informativo traz uma visão resumida sobre o protocolo HART® e os benefícios disponíveis através desta importante tecnologia. A economia obtida por instrumento é de US$ 300,00 a US$ 500,00 na instalação e comissionamento iniciais e de US$ 100,00 a US$ 200,00 ao ano para manutenção e operação, como normalmente é reportado.

Comunicação Analógica + Digital Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20mA proporcionalmente à variável de processo representada. Virtualmente todos os sistemas de controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de processo.

Comunicação Digital + Sinal Analógico Simultâneo



Fig. 01 - O HART usa a tecnologia FSK para codificar a informação digital de comunicação sobre o sinal de corrente 4 a 20 mA

O protocolo de comunicação de campo HART® estende o padrão 4-20mA ao permitir também a medição de processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle analógica, proporcionando um salto na evolução do controle de processos. O protocolo HART® promove uma significativa inovação na instrumentação de processos. As características dos instrumentos podem ser vistas via comunicação digital que são refletidas na denominação do protocolo, HART®, que significa “Highway Addressable Remote Transducer”. O Protocolo HART® possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20mA. Tanto o sinal analógico 4-20mA como o sinal digital de comunicação HART®, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidos pelo 4- 20mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizadas na mesma fiação e ao mesmo tempo. Ao contrário das demais tecnologias de comunicação digitais “abertas” para instrumentação de processos, o HART® é compatível com os sistemas existentes.

A Tecnologia HART® O Protocolo HART® usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de frequência (FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal e portanto ele não interfere no sinal de 4-20mA. A lógica “1” é representada por uma frequência de 1200Hz e a lógica “0” é representada por uma frequência de 2200Hz, como mostrado nas figuras 1 e 2. O sinal HART® FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e recepção de informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART® se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo.


Fig. 02 - O HART sobrepõe o sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4 a 20 mA

Flexibilidade de Aplicação O HART® é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de campo (escravo) somente “responde” quando “perguntado” por um mestre. Dois mestres (primário e secundário) podem se comunicar com um instrumento escravo em uma rede HART®. Os mestres secundários, como os terminais portáteis de configuração, podem ser conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos de campo sem provocar distúrbios na comunicação com o mestre primário. O mestre primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um CLP (Controlador Lógico Programável), um controle central baseado em computador ou um sistema de monitoração. Uma instalação típica com dois mestres é mostrada na figura 3.

Fig. 03 - O Protocolo HART permite que dois equipamentos Mestres acessem informação de um mesmo equipamento de campo (escravo)

O Protocolo HART® pode ser usado de diversas maneiras para trocar informações de/para instrumentos de campo inteligentes à controles centrais ou equipamentos de monitoração. A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com o sinal analógico de 4-20mA é a mais comum. Este modo, permite que a informação digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 4-20mA é contínuo e carrega a variável primária para controle.

Exemplo de Aplicação Inovadora A flexibilidade do Protocolo HART® é evidente no diagrama de controle da Figura 4. Essa aplicação inovadora usa a capacidade inerente ao Protocolo HART® de transmitir tanto sinais 4-20mA analógicos como sinais digitais de comunicação simultaneamente pela mesma fiação. Nessa aplicação, o transmissor HART® tem um algorítimo interno de controle PID. O instrumento é configurado de modo que o loop de corrente 4-20mA seja proporcional à saída de controle PID, executado no instrumento (e não à variável medida, como por exemplo, a pressão, como na maioria das aplicações de instrumentos de campo). Uma vez que o loop de corrente é controlado pela saída de controle do PID, este é utilizado para alimentar diretamente o posicionador da válvula de controle. A malha de controle é executada inteiramente no campo, entre o transmissor (com PID) e a válvula. A ação de controle é contínua como no sistema tradicional; o sinal analógico de 4-20mA comanda a válvula. Através da comunicação digital HART o operador pode mudar o set-point da malha de controle e ler a variável primária ou a saída para o posicionador da válvula. Uma economia substancial pode ser obtida através dessa inovadora arquitetura de controle.

Fig. 4 - Alguns equipamentos HART incluem controlador PID em seus algoritmos, implementando uma solução de controle com boa relação custo-benefício

Melhor Solução O Protocolo HART® permite aos seus usuários o melhor caminho de migração para usufruir os benefícios da comunicação digital para a instrumentação inteligente. Nenhuma outra tecnologia de comunicação pode igualar a estrutura de suporte ou a grande variedade de instrumentos disponíveis com tecnologia HART® hoje. A tecnologia permite o uso fácil dos produtos compatíveis com HART® que estão disponíveis no mercado pela maioria dos fornecedores de instrumentação e que atendem virtualmente todas as medições de processo ou aplicações de controle. O surgimento do fieldbus não reduzirá o HART® em novas aplicações ou nas existentes. O HART® possibilita aos seus usuários grande parte dos mesmos benefícios, ao mesmo tempo em que mantém a compatibilidade e a familiaridade com os sistemas existentes de 4-20 mA. O HART® permite os benefícios econômicos das comunicação remota, a flexibilidade e a precisão da comunicação de dados digital, o diagnóstico dos instrumentos de campo e o uso de poderosos instrumentos com mútiplas variáveis, sem que haja a necessidade de trocar sistemas inteiros. A conexão com redes de plantas atuais e futuras é assegurada pela capacidade de comunicação digital e a larga base instalada (mais de 5.000.000 de instalações e crescendo rapidamente). O suporte oferecido pela HART Communication Foundation assegura que a tecnologia continuará a servir as necessidades da instrumentação inteligente de hoje e do amanhã.