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Redes Industriais e Sistemas Supervisórios
Aula 5: Barramentos e protocolos mais utilizados – Parte 1
Apresentação
O desenvolvimento das redes industriais é marcado pelo surgimento e pela modernização de diversas tecnologias, tanto
de hardware quanto de software.
À medida que as redes industriais foram se aperfeiçoando, surgiram alguns tipos de barramentos e protocolos de
comunicação. Dois dos protocolos mais disseminados e aplicados são o HART e o MODBUS. Esses protocolos, apesar de
relativamente antigos, ainda são amplamente utilizados nas indústrias.
Objetivos
Descrever as principais características dos protocolos HART e MODBUS;
omparar as diferenças entre os protocolos apresentados;
Analisar as características dos protocolos.
O protocolo HART
O protocolo HART recebe essa sigla devido a seu nome em inglês, Highway Addressable Remote Transducer. Ele foi criado na
década de 1980 pela empresa Rosemount Inc. e o principal objetivo de seu desenvolvimento foi integrar uma série de
instrumentos de medição. Inicialmente o HART era um protocolo proprietário, ou seja, era necessária a aquisição perante a
empresa para que fosse utilizado. Porém em 1990 ele foi disponibilizado para uso gratuito, o que ajudou consideravelmente a
sua popularização.
Após ser disponibilizado de maneira gratuita, foi formado o HART Users Group e, em 1993, a marca e todos os seus direitos
referentes ao protocolo foram transferidos para a HART Communication Foundation.
O HART é um protocolo que utiliza um padrão de comunicação bidirecional, que permite assim a troca de dados entre
instrumentos de campo e sistemas de supervisão e controle. Uma de suas vantagens é a possibilidade do uso dos
instrumentos sobre os cabos de circuitos 4-20mA. Em alguns casos, os circuitos 4-20mA podem ser utilizados
simultaneamente ao protocolo HART.
Mas o que seriam esses circuitos 4-20mA?
Os circuitos de 4 a 20 – ou, como alguns chamam, apenas “4 a 20” – são circuitos utilizados para interligar sensores de
diversos tipos (pressão, tensão, corrente, nível, temperatura, entre outros). Eles recebem um sinal do transdutor e o convertem
em um sinal de corrente da seguinte forma: 4mA para o valor mínimo e 20mA para o valor máximo a ser medido pelo sensor.
Os valores intermediários normalmente são proporcionais, com função de transferência linear (reta). Se esse não for o caso, a
função de transferência deve ser conhecida para que se efetue a devida correlação entre a corrente e a grandeza que está
sendo medida.
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Assim, a corrente de 4mA corresponderia a 0% da medida em questão, o
mínimo possível, e o valor de 20mA corresponderia a 100% dessa mesma
medida, o valor máximo possível. Isso ocorre porque a medida em questão
foi convertida para um sinal de corrente elétrica.
Normalmente surgem algumas perguntas sobre esse tipo de circuito. Uma delas é o porquê do valor mínimo de 4mA.
Utilizando esse valor como valor mínimo a ser transmitido, torna-se possível alimentar o circuito transmissor com 3mA. Assim,
o transmissor pode funcionar apenas com dois �os, uma vez que não terá uma fonte de alimentação de tensão contínua. Sua
alimentação será retirada da própria linha de transmissão do sinal. Isso representa uma simpli�cação do circuito e uma
redução de custos. Caso o sinal se apresente abaixo de 4mA, indicará que há algum problema no sensor ou no circuito ou na
linha de transmissão.
Outra questão levantada é o motivo de se utilizar a corrente em vez da tensão.
Os sinais de corrente não sofrem o efeito da queda de tensão na linha e nos demais elementos do circuito.
Caso se optasse por um sinal de tensão, para cada comprimento de linha de transmissão seria necessário que fossem
utilizadas diferentes quedas de tensão, o que traria complicações difíceis de superar. Assim, desde que a fonte de alimentação
suporte o total das quedas de tensão, poderemos inserir elementos em série com a linha de transmissão, sem alterar o sinal
que está sendo transmitido.
O protocolo HART utiliza um sinal modulado em frequência, ou FSK (Frequency Shift Keying) e é sobreposto ao sinal analógico
de 4-20mA. Quando se deseja enviar um bit qualquer, emprega-se um sinal senoidal de 1mA pico a pico. Para o bit 0 é utilizada
uma frequência de 2400Hz e para o bit 1, a frequência de 1200Hz.
A �m de utilizar o protocolo HART ao mesmo tempo que o circuito 4-20mA realiza suas funções originais, é possível fazer a
ligação de apenas um escravo. Já quando é utilizado o método multdrop ou múltiplos escravos, o sinal analógico é desprezado.
A corrente que era usada na comunicação analógica �ca de�nida em 4mA para alimentar os dispositivos; já os sinais de
controle são transmitidos nas frequências conhecidas 1200-2400KHz. Esse modo suporta até quinze dispositivos.
Os métodos utilizados no protocolo HART são:
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Mestre-escravo: Este é o método
padrão. Os ciclos de pedido e
recebimento de dados dura
aproximadamente 500ms, o que implica
a leitura de apenas dois valores por
segundo. Com o uso do modo Burst ou
broadcast, o dispositivo passa a poder
enviar de forma periódica o valor de
uma variável. No intervalo entre esses
envios o mestre pode executar um ciclo
de pergunta e resposta. A taxa de
transmissão nesse caso se eleva para
três ou quatro por segundo. O mestre
pode enviar uma mensagem para
interromper esse envio contínuo de
mensagens segundo sua conveniência.
Cada mensagem pode comunicar o
valor de até quatro variáveis. Cada
dispositivo HART pode ter até 256
variáveis;
Mestre-escravo em multidrop: Quando
usando uma topologia do tipo multidrop,
a rede HART suporta até quinze
instrumentos de campo. Apenas o
modo mestre-escravo pode ser utilizado.
Nesse caso o valor da corrente é
mantido no seu nível mínimo de 4mA e o
valor da PV deve ser lido através de uma
mensagem explícita.
A estrutura física do protocolo HART utiliza cabos de par trançado, que podem ser ou não blindados, e isso interfere de maneira
signi�cativa na distância de transmissão. Os blindados podem transmitir a uma distância de até 3km; já os não blindados têm
um limite de 1,5 km.
O protocolo MODBUS
O protocolo MODBUS foi desenvolvido em 1979 pela Modicon, atualmente Schneider Electric. Mais tarde, em 2004, a Schneider
transferiu o gerenciamento do protocolo para a Modbus Organization. Inicialmente esse protocolo foi criado visando o uso em
seus próprios dispositivos. Apesar de a princípio ser um protocolo proprietário, o MODBUS passou a ser um protocolo aberto,
podendo assim ser utilizado por qualquer empresa. Isso acabou sendo de grande importância para a popularização do
protocolo, que hoje é considerado um dos mais utilizados no meio industrial, sendo aplicado por milhares de indústrias.
Após ser inicialmente projetado para comunicação serial entre
controladores lógicos programáveis (PLC), foi expandido para ser utilizado
na comunicação entre dispositivos como sensores e atuadores e até mesmo
sistemas supervisórios.
Apesar de o protocolo não ter a camada física de�nida, modos usuais de comunicação como o RS-232, RS-485 e Ethernet
costumam ser aplicados. O mecanismo de controle de acesso é do tipo mestre-escravo ou cliente-servidor. O mestre,
comumente representado por um PLC ou um sistema supervisório, envia mensagens solicitando aos escravos que enviem os
dados lidos pelos instrumentos de campo ou envia sinais a serem escritos nas saídas para o controle dos atuadores. Esse
protocolo possui códigos especí�cos para comunicação, entradas e saídas, por dados digitais ou analógicos.
O MODBUS é um protocolo mestre-escravo. Nesse caso os escravos não
podem se comunicar de maneira direta, e toda comunicação precisa
obrigatoriamente ser enviada ao mestre para que ele encaminhe para outro
escravo, pois os mestres podem enviar ou solicitar informações dos
escravos. Esse envio ou solicitação pode ocorrer de maneiraisolada ou pelo
método broadcast, em que a solicitação é enviada a todos de
simultaneamente.
Para enviar ou solicitar uma informação de determinado escravo, é necessário o uso de um endereço, visto que todos estão
ligados em uma rede bidirecional em barramento. Cada escravo terá um endereço, que pode variar de 1 a 247. Logo, até 247
escravos podem ser utilizados em uma rede desse tipo.
MODBUS RTU: Todos os dados do quadro são transmitidos em binário, seguidos de um CRC. O modo RTU também é
chamado de ModBus-B ou Modbus binário e é o modo preferencial.
MODBUS ASCII: As mensagens contêm dados do quadro codi�cados em ASCII.
Os dados no protocolo MODBUS são enviados por meio de um quadro de dados, que é formado pelos seguintes campos:
Quadro do mestre
Endereço (ou Address): neste é de�nido o endereço do escravo desejado, de 1 a 247, ou é utilizado 0 para que o comando
chegue a todos os escravos, broadcast.
Código de função (ou Function Code): determina um dado comando de leitura ou escrita no escravo.
Dados (ou Data): dados a serem escritos no escravo caso o comando seja de escrita, ou dados especí�cos de leitura caso
o comando seja de leitura.
Palavra de controle (ou CRC): dois bytes calculados para detectar erros de transmissão, utilizando CRC-16. Esse valor é
calculado a partir de todos os grupos de 16 bits (2 bytes) do quadro, excluindo obviamente o próprio CRC. No escravo,
esse valor é calculado outra vez e comparado ao valor enviado.
Quadro do escravo
Dados (ou Data): dados solicitados ao escravo caso o comando executado tenha sido de leitura, ou o eco do valor escrito
caso o comando tenha sido de escrita.
Palavra de controle (ou CRC): dois bytes calculados para detectar erros de transmissão, utilizando CRC-16. Esse valor é
calculado a partir de todos os grupos de 16 bits (2 bytes) do quadro, excluindo obviamente o próprio CRC. No mestre, este
valor é calculado outra vez e comparado ao valor enviado.
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Exemplo
Exemplos de códigos de funções: 
 
0 x 05 – (Write Single Coil) - Altera o estado de uma saída digital; 
0 x 02 – (Read Input Status) - Lê um número variável de entradas digitais; 
0 x 06 – (Write Single Register) - Altera o estado de uma saída analógica; 
0 x 03 – (Read Holding Registers) - Lê um número variável de saídas analógicas ou memórias; 
0 x 04 – (Read Input Registers) – Lê um número variável de entradas analógicas.
Atividades
1. Em uma rede industrial na qual é utilizado o protocolo HART sobre um circuito 4-20mA, foi aferido o valor de corrente de 1mA
na rede. O que pode ser a�rmado sobre essa rede?
a) Não existe sinal sendo enviado pela rede.
b) Existem poucos instrumentos ligados na rede.
c) Os dispositivos de campo devem estar com um consumo alto de energia.
d) Existe uma falha no circuito, visto que a corrente mínima deve ser de 4mA.
e) A rede está transmitindo o bit 0.
2. O protocolo HART foi criado inicialmente como um protocolo proprietário. Porém, a partir de determinado ano, o protocolo
passou a ser oferecido como um protocolo aberto, o que incentivou o aumento do uso em indústrias. Qual foi o ano que esse
protocolo passou a ser oferecido de maneira livre?
a) 1980.
b) 1970.
c) 1990.
d) 2000.
e) 1979.
3. No protocolo HART os bits são transferidos na forma de modulação do sinal em frequência; sendo 2400 Hz a frequência
para o bit 0, qual é frequência para o bit 1?
a) 2400 Hz.
b) 1200 Hz.
c) 3600 Hz.
d) 100 Hz.
e) 240 Hz.
4. Um dos itens do quadro de dados utilizado no protocolo MODBUS é o código de função. Esse código indica ao escravo o que
deve ser feito. Qual dos códigos abaixo altera o estado de uma saída digital?
a) 0 x 06.
b) 0 x 05.
c) 0 x 01.
d) 0 x 04.
e) 0 x 07.
5. Uma questão importante a ser veri�cada durante o processo de comunicação é a ocorrência de erros. Para tal, existe no
quadro de dados do protocolo MODBUS um campo especí�co para isso. 
 
Qual é esse campo?
a) Campo de endereço.
b) Campo do código de função.
c) Campo de dados.
d) Campo informativo.
e) Campo da palavra de controle.
Notas
Referências
BORGES, J. F. Redes industriais de comunicação. In: Apostila do curso de Fundamentos de Redes Industriais e Aplicações.
International. Society of Automation. ISA. Vitória: 2009.
CASSIOLATO, C.; TORRES, L. H. B.; PADOVAN, M. A. Pro�bus – descrição técnica, 2012.
FERNANDEZ, M. P. Redes de Computadores. 1. ed. Fortaleza: UAB/UECE, 2015.
HART COMMUNICATION FOUNDATION. Sobre o Protocolo HART, 2012.
SARMENTO, A. Redes industriais e sistemas supervisórios. Disponível em: //www.andresarmento.com/estacio/estudo/.
Acesso em: 6 set. 2019.
Próxima aula
Protocolo PROFBUS;
Protocolo INTERBUS.
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