automação e controle industrial

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AULA 5 
AUTOMAÇÃO E 
CONTROLE INDUSTRIAL 
Profª Carla Eduarda Orlando de Moraes de Lara 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
Nesta aula abordaremos um assunto muito importante dentro da 
automação industrial, que é a comunicação. 
Nesse contexto entram as redes industriais, que são as responsáveis por 
transmitir dados e informações dentro dos sistemas automatizados. Sem o uso de 
redes industriais, não teríamos sistemas tão robustos e inteligentes, com alto nível 
de automação. 
Por meio dessas redes, podemos obter informações oriundas de sensores, 
que são fundamentais para todos os sistemas de controle. Além disso, para enviar 
comandos aos atuadores também precisamos dessas redes. Enfim, como 
dispositivos fundamentais para os sistemas automatizados, se faz essencial o 
conhecimento das redes industriais, conhecendo desde suas configurações até 
os seus detalhes. 
TEMA 1 – INTRODUÇÃO A REDES INDUSTRIAIS 
Com objetivo de compartilhar informações, foram criadas as redes 
informáticas, que são um conjunto de dois ou mais dispositivos eletrônicos 
interligados entre si por um sistema de comunicação, dos quais fazem parte regras 
e protocolos para que a informação seja propriamente transferida de um 
dispositivo até outro (Moraes, 2010). A partir do momento que essas redes são 
utilizadas no meio industrial, elas levam o nome de redes industriais. 
Dentro de uma planta industrial de combustíveis, por exemplo, temos várias 
medições sendo realizadas simultaneamente. Via de regra, se precisássemos 
fazer a aferição de temperatura de um ponto na planta, precisaríamos de uma 
comunicação física com o sensor, por meio de um cabo de comunicação que 
levaria a informação diretamente a dispositivo de controle, que impacta 
diretamente o custo de implantação do sistema. 
Dessa forma, com o desenvolvimento das tecnologias, as redes industriais 
foram surgindo e se aprimorando, facilitando esse tipo de aquisição de dados que 
trafegam dentro de uma rede estruturada de informações. Junto com essa 
estruturação, temos vários benefícios, como: 
• Padrões, ou seja, documentação das variáveis do sistema; 
• Custos de manutenção; 
• Suporte personalizado, uma vez que o sistema é documentado. 
 
 
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A seguir, aprofundaremos nossos estudos sobre como as redes industriais 
influenciam na automação, além de tratar das especificações destas redes. 
1.1 Conceitos de automação 
Dentro da automação industrial, temos níveis de controle, expostos de 
forma hierárquica na Figura 1, que é também conhecida como pirâmide da 
automação. 
Figura 1 – Pirâmide da automação 
Fonte: Moraes, 2010. 
A forma hierárquica de demonstração dos diferentes níveis da automação 
industrial serve para mostrar a dependência de um nível ao outro. 
Segundo Moraes (2010), a base da pirâmide está diretamente relacionada 
com os dispositivos programadores que controlam os sensores e atuadores, e no 
topo da pirâmide a caraterística principal é a integração entre a automação e os 
setores gerenciais da empresa. 
• Nível 1: representa os dispositivos de campo, como sensores e atuadores. 
Esses dispositivos ficam espalhados pela planta da indústria, realizando 
medições ou comandos. 
• Nível 2: representa os dispositivos que fazem o controle dos dispositivos 
de campo, como controladores lógicos programáveis (CLPs) e sistemas 
digitais de controles distribuídos (SDCDs). 
• Nível 3: representa o nível de supervisão da planta, com a utilização de 
sistemas supervisórios e de otimização da planta em questão. 
 
 
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• Nível 4: representa o nível de gerenciamento da planta, em que há parte 
da programação e planejamento da produção. 
• Nível 5: é o último e mais complexo nível, com gerenciamento dos outros 
itens, em que se agrega os quesitos de gestão de venda, gestão financeira 
e outros. 
Quanto mais alto o nível, mais informações circulam entre o sistema e, 
consequentemente, mais atenção devemos ter no tratamento de dados. 
1.2 Especificação de redes industriais 
Para Moraes (2010), são necessárias para a especificação de uma rede de 
automação as seguintes variáveis: taxa de transmissão, topologia física de rede, 
meio físico de transmissão, tecnologia de comunicação e método de acesso ao 
meio. Na sequência, abordaremos cada um deles em mais detalhes. 
1.2.1 Taxa de transmissão 
A taxa de transmissão em uma rede industrial, também conhecida como 
throughput, se dá pela média de dados que serão transmitidos em determinado 
período de tempo. Além disso, a taxa de transferência tem como unidade de 
medida o kilobits por segundo (kbps). 
1.2.2 Topologia física de rede 
Quando falamos da topologia física, considera-se que está relacionada com 
a forma com que os dispositivos estão interligados na rede. Existem vários modos 
de interligações, e alguns exemplos comuns são: barramento, anel e estrela. 
1.2.3 Meio físico de transmissão 
O meio físico está relacionado ao tipo de cabeamento que transmitirá as 
informações no meio. Alguns exemplos são: cabo de par trançado, fibra óptica, 
RS-485, RS-232 e RS-422. 
 
 
 
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1.2.4 Tecnologia de comunicação 
A tecnologia de comunicação está relacionada com a forma de 
gerenciamento entre os pontos de comunicação. As formas mais comuns são: 
mestre/escravo e produtor/consumidor. 
1.2.5 Método de acesso ao meio 
O método de acesso ao meio se trata de qual algoritmo será utilizado pelos 
pontos de comunicação para acessar ou disponibilizar os dados na rede. Alguns 
métodos comuns são: processos de varredura, CSMA/CD e token passing. 
TEMA 2 – DADOS E PADRÕES NAS REDES INDUSTRIAIS 
Em qualquer tipo de rede, tanto de computadores quanto redes industriais, 
temos dados em circulação que carregam informações. Se imaginarmos um 
sensor de temperatura, ele transmitirá por meio de seu meio físico a informação 
de temperatura na unidade padronizada pelo fabricante ou pelo protocolo de 
comunicação. As unidades comuns de troca de informações são bits, bytes ou 
unidades maiores, como strings ou packets. 
Redes que transmitem informações básicas, como liga e desliga, ou status, 
utilizam o tráfego de bit 0 para desligado e 1 para ligado. Redes que precisam de 
mais informações, como valores completos de medições utilizam bytes como 
unidade. Redes que fazem o uso ainda maior e enviam várias informações ao 
mesmo tempo, fazem uso de unidades maiores para transmissão. 
A respeito de redes industriais, para cada tipo de dado transmitido na rede, 
temos uma denominação: 
• Redes nas quais trafegam bits são chamadas de redes sensorbus; 
• Redes nas quais trafegam bytes são chamadas de redes devicebus; 
• Redes nas quais trafegam dados maiores que bytes são chamadas de 
redes fieldbus. 
Do mais básico para o mais complexo, as redes sensorbus são as redes 
utilizadas no chão de fábrica e temos como exemplos as redes AS-Interface e 
INTERBUS. 
As redes devicebus cumprem quase os mesmos requisitos que as redes 
sensorbus, porém, por comunicarem com dados ao nível de bytes, cobrem 
 
 
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distâncias maiores e informações mais complexas, como dados analógicos e 
discretos. Alguns exemplos de redes devicebus são: DeviceNET, LONWorks e 
Profibus DP. 
As redes fieldbus também podem atuar no chão de fábrica, mas trabalham 
coletando e distribuindo dados para os sensores e atuadores. As redes fieldbus 
são conhecidas pelo uso de interfaces homem-máquina (IHM) e consoles de 
gerenciamento, por exemplo, SCADA. Alguns exemplos de redes fieldbus são: 
Profibus PA, Fieldbus Foundation e HART. 
Tendo definidas as redes industriais, precisamos entender como funciona 
a transmissão de dados nas redes industriais. Um dos princípios básicos que 
norteiam a conexão de dispositivos a outro para a transmissão de dados é o 
cabeamento. Já o princípio básico que norteia o cabeamento, é o tipo e a 
quantidade de cabos ou condutores necessários para garantir o fluxo de dados. 
(Forouzan, 2006) 
Esse tipo de pensamentonos leva a imaginar qual é a forma mais efetiva 
de enviar dados, seja um bit por vez, sejam vários em paralelo. Assim, as duas 
formas de transmissão de dados nas redes industriais são: serial e paralelo. As 
quais veremos com detalhes a seguir. 
2.1 Transmissão serial 
Esse tipo de transmissão se dá com os bits sendo transmitidos um após o 
outro, em formato de fila. Por termos apenas um caminho para esse tipo de 
transmissão, o custo é relativamente baixo, uma vez que precisamos de um cabo 
para cada tipo de informação sendo trafegada. 
Entretanto, como dentro dos dispositivos de campo a transmissão é feita 
de forma paralela, é necessária a conversão dos dados tanto na saída de dados 
dos dispositivos quanto na entrada de dados. Assim, precisamos de conversores 
serial-paralelo e paralelo-serial. Podemos ver a transmissão serial exemplificada 
na Figura 2, sendo que nela temos exemplificado um emissor e um receptor de 
informações transmitindo dados por meio de um caminho apenas, de forma serial. 
 
 
 
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Figura 2 – Transmissão serial 
2.2 Transmissão paralela 
A transmissão paralela, ao contrário da transmissão serial, agrupa pacotes 
de bits para serem enviados de uma única vez, obedecendo um sinal de clock do 
sistema. Esse tipo de transmissão possui custo mais alto, devido à quantidade de 
cabeamento necessária para transmitir os dados; entretanto, tem a velocidade de 
transmissão maior. Podemos ver a transmissão paralela de dados exemplificada 
na Figura 3, com o mesmo emissor e receptor da figura anterior, porém, com os 
dados sendo transmitidos de várias linhas, de forma paralela. 
Figura 3 – Transmissão paralela 
Além dos modos de transmissão, é importante sabermos diferenciar 
padrões de rede, para assim descobrirmos uma questão importante dentro de 
redes industriais, que é a compatibilidade de dispositivos. Dessa forma, temos 
dois padrões de rede: o padrão aberto e o padrão fechado. 
2.3 Padrão aberto 
O padrão aberto significa que a tecnologia tem o protocolo e tecnologia 
aberta. É nos dias de hoje conhecido como open source, de forma que fabricantes 
 
 
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podem desenvolver equipamentos baseados nessa tecnologia, que é 
documentada e constantemente tem melhorias. Dentro das redes de padrão 
aberto, temos pontos importantes como interoperabilidade e portabilidade. Sendo 
que interoperabilidade é a capacidade de equipamentos de diferentes marcas, 
mas com mesmo protocolo aberto, conversarem entre si, enquanto, a 
portabilidade é a capacidade de sistemas de software serem compatíveis com 
diferentes equipamentos. 
2.3 Padrão fechado 
A tecnologia de padrão fechado é normalmente atribuída a protocolos e 
comunicações específicas de algum fabricante, que dificilmente tem 
compatibilidade com sistemas de padrão aberto. 
TEMA 3 – TOPOLOGIAS E MEIOS DE TRANSMISSÃO 
Ainda sobre dados nas redes industriais, precisamos fazer a definição de 
alguns assuntos para entender melhor como funcionam de forma geral as redes 
estruturadas industriais. Dessa forma, vamos discutir sobre topologias de rede e 
meios de transmissão. 
3.1 Topologias de rede 
Quando falamos de topologia de rede, estamos nos referindo a como os 
equipamentos estão ligados nessa rede de forma física e de forma lógica 
(Forouzan, 2006). A topologia física será discutida nesse tópico, em que vamos 
aprender sobre as mais utilizadas, que são anel, estrela e barramento. 
3.1.1 Anel 
A topologia em anel é uma arquitetura ponto a ponto, em que os 
dispositivos são conectados entre si, e o último dispositivo é conectado com o 
primeiro, fechando o ciclo. Esse tipo de arquitetura necessita que a comunicação 
pare, caso seja necessário adicionar um novo dispositivo a rede. As falhas desse 
tipo de arquitetura são menores do que as falhas em uma arquitetura sem o 
fechamento do ciclo, chamada de ponto a ponto, uma vez que se o sinal trafegar 
para ambos os lados e um nó ser danificado, a informação pode percorrer o outro 
 
 
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lado do anel. A topologia em anel é representada na Figura 4(a), em que é 
possível perceber a configuração de conexão descrita anteriormente. 
3.1.2 Estrela 
A topologia em estrela é um sistema centralizado em sua essência, que 
pode formar uma solução descentralizada se juntarmos mais nós-estrela no 
sistema. Esse tipo de topologia normalmente utiliza processadores centrais 
redundantes para evitar que se percam nós de dispositivos por uma falha na 
unidade central. Um exemplo da topologia estrela é representado na Figura 4(b), 
em que temos computadores ligados a um computador central. 
3.1.3 Barramento 
A topologia em barramento é conhecida por seu meio físico de 
comunicação ser compartilhado entre todos os equipamentos. Esse tipo de 
topologia é um dos mais empregados na indústria e em redes de computadores, 
uma vez que se houver falha em um dos dispositivos ligados no barramento, não 
será perdida a comunicação total com o sistema. Além disso, essa configuração 
permite uma alta capacidade de expansão, uma vez que só é necessário ligar um 
equipamento em qualquer parte do barramento. Um exemplo dessa topologia é 
representado na Figura 4(c), em que todos os computadores estão interligados 
entre si através do barramento de rede. 
Figura 4 – Topologias de rede 
Além do tipo de topologia, é importante discutirmos os meios físicos de 
transmissão de informações. 
 
 
 
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3.2 Meios físicos de transmissão 
Os meios físicos de transmissão representam por onde a informação irá 
trafegar para se comunicar com os dispositivos. Esse requisito é importante para 
ser estudado previamente, antes de se montar uma rede industrial, uma vez que 
impacta no custo da aplicação e em qual tipo de informação poderá trafegar na 
rede. Vamos tratar rapidamente sobre fios de cobre, fibra óptica e sem fios. 
3.2.1 Fios de cobre 
O modo mais comum para transmitir informações em uma rede industrial é 
utilizando fios de cobre. Esse tipo de cabeamento é largamente utilizado na 
indústria, mas demanda alguns cuidados, uma vez que o ambiente industrial é 
sujeito a vários tipos de intempéries e ruídos. Os tipos mais comuns de 
cabeamento na indústria com fios de cobre são: cabo coaxial e par trançado. 
O cabo coaxial transmite as informações por um fio único e rígido de cobre, 
envolto por uma película plástica, uma malha metálica e, por fim, a capa externa. 
Esse cabo permite grandes distâncias, dependendo da bitola do fio interno de 
cobre, e é normalmente utilizado na topologia de barramento. Uma das 
desvantagens desse tipo de cabo é a sua própria manipulação, cada vez mais 
robusto e mais difícil de fazer as instalações. 
O cabo de par trançado é dividido em duas categorias principais: o cabo 
par trançado não blindado, do inglês unshielded twisted pair (UTP), e cabo par 
trançado blindado, do inglês shielded twisted pair (STP). Ambos possuem quatro 
pares de vias de cobre rígidas internamente, protegidos por uma capa fina de 
plástico. Os quatro pares são retorcidos e envoltos por uma película externa, 
também de plástico. A diferença entre o cabo UTP e o STP é uma fina película de 
alumínio que o cabo STP possui, utilizado para reduzir a interferência 
eletromagnética dos cabos, quando aterrado. 
3.2.2 Fibra óptica 
A fibra óptica é um meio relativamente novo de transmissão de 
informações, e conta com um núcleo de vidro ou plástico, envolto por uma capa 
plástica. Dentro do núcleo, ao contrário dos cabos coaxiais e trançados, as 
informações são transmitidas por meio de luz, e não sinal elétrico. Existem dois 
tipos de fibra óptica, a monomodo e a multimodo. Na fibra monomodo, apenas um 
 
 
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feixe de luz trafega no interior da fibra e seus dados têm velocidade e distância 
menor que na fibra multimodo. Na fibra multimodo, vários feixes de luz trafegam 
internamente na fibra, levando as informações a percorrerem maiores distâncias 
em menos tempo. 
3.2.3 Sem fios 
Outromeio de comunicação não tão comum em ambientes industriais são 
as redes sem fios. Mesmo tendo na atualidade protocolos de comunicação cada 
vez mais avançados, a indústria prefere, de forma geral, soluções cabeadas. 
Alguns exemplos de redes sem fios que podem ser utilizadas são: Wi-Fi, Zigbee 
e Z-wave. 
TEMA 4 – MÉTODOS DE ACESSO AO MEIO E PADRÕES DE INTERFACE 
Para concluir o assunto dados em redes industriais, vamos falar nesse 
tema sobre métodos de acesso ao meio e em seguida sobre padrões de interface, 
que são quesitos importantes para a definição de uma rede industrial, em que 
esses quesitos impactam diretamente no tipo de informação que a rede pode 
transmitir e o custo de implantação. 
4.1 Métodos de acesso ao meio 
Segundo Moraes (2010), os nós pertencentes a um sistema de rede 
industrial têm um procedimento específico para acessar as informações da rede, 
chamados de métodos de acesso ao meio. Os métodos mais comuns são: 
CSMA/CD, Token Passing e Polling. 
No método CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Colision Detection), 
os dispositivos da rede começam a enviar dados assim que detectam que o canal 
está disponível. Se dois dispositivos tentarem enviar dados ao mesmo tempo, 
ocorre uma colisão, e um deles começa a transmitir novamente depois de um 
tempo aleatório. 
O método Token Passing utiliza a topologia em anel para transmitir 
informação. Nesse método, circula na rede o que chamamos de Token (ficha), e 
quando um dispositivo deseja transmitir a informação, ele captura essa ficha, 
substituindo-a pelas informações que deseja transmitir. Após terminar o processo, 
o dispositivo regenera o token para circular na rede. 
 
 
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No método denominado Polling o controlador questiona constantemente a 
rede se algum dispositivo deseja enviar dados, evitando colisões. Enquanto 
nenhum dispositivo desejar transmitir dados, o controlador continua fazendo 
requisições na rede ciclicamente, até que um dispositivo deseje compartilhar 
informações. 
4.2 Padrões de interface 
Como já discutido, os sistemas industriais seguem padrões, e esses 
padrões nos ajudam a manter as informações e interligações documentadas, 
passíveis de suporte técnico quando necessário. Se tratando de padrões de 
interface, também temos padrões. As interfaces tratam de como as informações 
trafegam fisicamente nos meios. Vamos conversar sobre três interfaces comuns 
do meio industrial, que fazem a transmissão de dados de forma serial. Sendo elas: 
RS-232, RS-485 e RS-422. 
4.2.1 RS-232 
A interface RS-232 é um padrão Electronic Industries Association (EIA), e 
transmite dados por meio de cabo de par trançado, em distâncias de até 15 
metros. Define pinagem para dois tipos de conectores, DB-9 e DB-25, em que 
trafegam níveis de sinais com emissores e receptores. A interface RS-232 é não 
balanceada, ou seja, os comuns (zeros) de suas conexões não são interligados, 
podendo gerar ruídos no sistema e fazendo, assim, sua distância de transmissão 
reduzida para evitar perda de sinal. Essa interface foi criada em 1969 para 
interligar computadores e modens. 
4.2.2 RS-485 
A interface RS-485 também é um padrão EIA, e transmite dados com 
balanceamento de sinal, ou seja, as linhas que transmitem e recebem sinal têm o 
mesmo referencial, diminuindo, portanto, sua suscetibilidade a ruídos. Uma vez 
que o sinal transmitido por meio da interface RS-485 é balanceado, temos ganhos 
na velocidade de transmissão de dados e também na distância, que pode chegar 
a 1.200 metros. A interface RS-485 utiliza um cabo com dois fios, sendo os dois 
para transmissão de dados, que podem vir acompanhados de mais dois fios para 
energização dos equipamentos. 
 
 
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4.2.3 RS-422 
A interface RS-422 se assimila muito com a interface RS-485, entretanto 
sua cablagem tem um conceito diferente, em que são utilizados dois pares de 
cabos para transmissão de dados. Um par faz a emissão de pacotes de dados e 
o outro par faz a recepção desses dados. Fazendo uma comparação com a 
interface RS-485, temos mais componentes físicos sendo utilizados, portanto, seu 
custo também será maior. 
TEMA 5 – EXEMPLOS DE REDES INDUSTRIAIS 
Agora que conhecemos como as redes industriais se comportam, vamos 
analisar algumas das redes mais utilizadas no meio industrial. Anteriormente, 
discutimos como são referenciadas as redes industriais, baseado no tipo de 
informação que ela transmite. Dessa forma, temos as redes denominadas 
sensorbus, devicebus e fieldbus. Vamos falar sobre cada uma delas, citando um 
exemplo de rede. 
5.1 ASi – sensorbus 
A rede ASi, ou AS-Interface, surgiu em 1990, segundo Moraes (2010) 
quando houve uma necessidade de compatibilização de equipamentos pelas 
empresas fabricantes. Dessa necessidade, foi criada a International Association 
(AS), com objetivo de padronizar sistemas e produtos, além de manter seus 
desenvolvimentos. 
A rede AS-Interface se baseia no sistema mestre-escravo, em que se tem 
um único mestre que controla os equipamentos de campo denominados escravos. 
A rede foi desenvolvida para suprir a necessidade de comunicação com 
equipamentos de chão de fábrica, como sensores e atuadores. 
A forma física de interligação de equipamentos utiliza um cabo especial 
contra inversão de polaridade, ou seja, só há uma maneira de encaixe do 
dispositivo de campo no cabo. Além disso, é um cabo autocicatrizante, em que, 
depois do dispositivo de campo ser removido do laço, o cabo se regenera. Essa 
tecnologia ajuda a serem feitas medições não programadas e pontuais em campo, 
sem necessidade de se configurar totalmente a rede ou parar uma planta industrial 
para fazer alterações. Na Figura 5 podemos ver um exemplo de cabo para a rede 
 
 
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AS-Interface, em que temos dois condutores e a película amarela é 
autocicatrizante. 
Figura 5 – Transmissão serial 
Fonte: Nexans Cryogenics, 2020. 
5.2 DeviceNet – devicebus 
A rede denominada DeviceNet é baseada no protocolo Controller Area 
Network (CAN) para sua camada física, e seu desenvolvedor é a Allen Bradley, 
que foi adquirida pela Rockwell Automation posteriormente. Sendo uma rede mais 
robusta do que as redes sensorbus, é possível transmitir mais informações do que 
somente bits de status. Na rede DeviceNET é possível o tráfego de informações 
mais complexas, como medidores de campo. 
A rede DeviceNET utiliza a topologia tronco com derivações, sendo que 
nessa topologia temos uma linha central de conexão com terminadores, e 
derivações em seu percurso, como representado na Figura 6. 
Figura 6 – Topologia tronco com derivações 
A rede utiliza o padrão de alimentar seus dispositivos pelo loop de 
comunicação, facilitando o manejo de cabeamento da rede. Entretanto, essa rede 
tem uma limitação de 64 nós, e a distância máxima da rede está relacionada com 
 
 
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a velocidade de transmissão dos dados, seguindo a regra de quanto mais 
próximos os dispositivos e menor a rede, maior a velocidade de transmissão. 
5.3 HART - fieldbus 
O protocolo HART foi desenvolvido em meados de 1980 com objetivo de 
permitir a comunicação bidirecional de informações de campo. Ele funciona com 
a arquitetura de mestre-escravo, em que os escravos são os medidores de campo 
e o mestre normalmente é uma central de sistema supervisório ou um CLP. 
Esse protocolo teve um avanço inovador com o seu desenvolvimento, uma 
vez que faz a transmissão de dados analógicos e digitais no mesmo sinal, fazendo 
uma sobreposição de sinais. Dessa forma, o protocolo HART fornece pelo menos 
dois canais de comunicação simultâneos, um canal digital e outro canal analógico 
de 4-20 mA. 
Pegando como exemplo um sensor de temperatura, o sinal analógico no 
protocolo HART transmite a temperatura emitida pelo sensor e o sinal digital as 
variáveis auxiliares, como status do dispositivo, diagnósticos e mais. Um exemplo 
desse protocolo pode ser visto na Figura 7, que exemplifica isso. 
Figura 7– Representação de informações da rede HART 
Fonte: Rockwell Automation, 2020. 
 
 
 
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REFERÊNCIAS 
FOROUZAN, B. A. Comunicação de dados e redes de computadores. Porto 
Alegre: Bookman, 2006. 
MORAES, C. C. de. Engenharia de automação industrial. Rio de Janeiro: LTC, 
2015. 
NEXAN CRYOGENICS. AS – Interface rubber flat cable. Nexans Deutschland 
GmbH. 2020. Disponível em: <https://www.nexans-
cryogenics.com/eservice/Germany-
en/navigate_343436/AS_INTERFACE_RUBBER_FLAT_CABLE.html#>. Acesso 
em: 15 out. 2020.