Tema 4 - Protocolos de Redes Industriais

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Protocolos de redes industriais
Os principais protocolos aplicados em redes industriais, os padrões Ethernet/IP, Modbus e Hart.
Prof. Raphael de Souza dos Santos
1. Itens iniciais
Propósito
Os protocolos são essenciais para a comunicação entre controladores, computadores e periféricos. Por isso, é
fundamental compreender a importância dos protocolos utilizados nas redes industriais, como eles funcionam
e quais são suas particularidades e aplicações, além de entender como funciona a configuração desses
protocolos.
Objetivos
Analisar o protocolo Ethernet/IP.
Reconhecer o protocolo Modbus.
Analisar o protocolo Hart.
Introdução
No vídeo a seguir, você entenderá a importância dos protocolos de comunicação nas redes industriais. 
Introdução
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1. Protocolo Ethernet/IP
Redes Ethernet
A importância da rede Ethernet
Assista ao vídeo a seguir para conhecer os principais pontos que serão abordados neste módulo.
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As redes Ethernet se consolidaram como o protocolo de comunicação padrão nas redes de automação
industrial. Por essa razão, o protocolo Ethernet foi rebatizado de Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol).
O protocolo Ethernet define não apenas os conectores do meio físico (conexão do cabeamento),
como também o protocolo de controle de acesso dos dados de rede.
O padrão Ethernet se consolidou ao longo dos anos como um dos principais protocolos de comunicação,
permitindo que computadores, controladores, sensores e os mais diversos periféricos pudessem se
comunicar.
Em anos mais recentes, diante da adaptação e da modernização dos processos produtivos, o protocolo
Ethernet ganhou ainda mais aplicações, se expandido para além do chão de fábrica e sendo utilizado em
sistemas cada vez mais modernos.
Protocolo TCP/IP
De maneira simplificada, o padrão Ethernet/IP consiste em um protocolo da camada de aplicação industrial
para sistemas em automação industrial. Ele é um derivado dos protocolos TCP/IP, os quais, por sua vez, são
um protocolo de envio e recebimento de dados via internet.
TCP
Significa protocolo de controle de transmissão.
IP
É a sigla de protocolo de internet.
Desse modo, o TCP/IP representa o protocolo para transmissão de dados via internet. Ele permite a
comunicação entre dois ou mais computadores por meio dela.
Apesar de seu nome, o TCP/IP representa um conjunto de protocolos dividido em quatro camadas: aplicação, 
transporte, rede e interface, como pode ser visto na próxima imagem.
Camadas de uma rede TCP/IP.
Cada camada é responsável pela execução de determinada atividade, garantindo que os dados trafeguem
pela rede e preservando sua integridade. Entenda melhor cada camada a seguir.
Camada de aplicação
A camada de aplicação é utilizada para enviar e receber informações de outras aplicações
(programas) e demais dispositivos. Nessa camada, se encontram protocolos do tipo:
SMTP: para envio e recebimentos de e-mails;
FTP: para transferência de arquivos;
HTTP: protocolo para navegação na internet.
Após serem recebidos pela camada de aplicação, os dados são enviados para as camadas seguintes.
Camada de transporte
A camada de transporte é responsável por receber os dados da camada de aplicação, verificar sua
integridade e dividi-los em pacotes. Após essa divisão, os dados são enviados para a camada de
rede.
Camada de rede
Na camada de rede, os dados empacotados são recebidos pela camada de rede e anexados a um
endereço virtual (IP), que contém o endereço do remetente e do destinatário. Uma vez anexados e
endereçados, os pacotes podem ser enviados via internet.
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Camada de interface
A camada de interface tem o papel de enviar e receber os dados através da rede. Nessa camada,
diversos protocolos são utilizados, dependendo do tipo de rede que é utilizado. Um dos protocolos
mais comuns é o Ethernet.
Assim, no protocolo TCP/IP, a sequência de recebimento dos dados se dá da seguinte maneira:
são recebidos pela camada de aplicação;
são checados e empacotados pela camada de transporte;
são anexados e endereçados pela camada de rede;
são enviados pela interface.
Protocolo Ethernet
Esse protocolo define o método segundo o qual computadores e dispositivos se comunicam. É a base das
redes locais, oferecendo um método seguro e confiável para os computadores trocarem dados.
Para a construção de uma rede Ethernet, são necessários vários componentes de hardware, como, por
exemplo, placas, adaptadores e roteadores.
Essa rede é adequada para a implementação de redes de comunicação entre computadores a curtas
distâncias devido a algumas limitações desse tipo de rede, tais como:
Velocidade
É restringida pelo limite de velocidade da rede.
Sinal
É restringido pela intensidade do sinal durante o
uso do protocolo Ethernet.
Cabe destacar que o uso de determinados tipos de cabos, além das conexões de outros periféricos, como
hubs e roteadores, afeta diretamente o alcance e a velocidade das redes.
Os tipos de cabos mais comuns no uso de redes Ethernet são os cabos do tipo par trançado. Esses cabos são
divididos em categorias: Cat5, Cat5e, Cat6, Cat6a e Cat7.
Na imagem a seguir, é possível ver diversos tipos de cabos existentes:
Cabos trançados para redes Ethernet.
Cada categoria apresenta suas especificidades, como veremos a seguir.
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4. 
Cat5
A categoria 5 é o cabo mais utilizado em redes Ethernet. Esse cabo é do tipo não blindado (UTP) e
tem uma velocidade de transmissão entre 10 e 100Mbps (megabits por segundo), com uma largura de
banda de 100MHz.
Cat5e
A categoria 5e é a evolução do cabo Cat5, com uma velocidade de transmissão que chega a
1.000Mbps e uma largura de banda de 100MHz.
Cat6
A categoria 6 representa uma evolução em comparação aos cabos Cat5e. Mesmo apresentando uma
velocidade de transmissão compatível com a categoria 5e, chegando a 1.000Mbps, ela possui versões
blindadas (STP). Adequada para ambientes sujeitos a interferências eletromagnéticas, a Cat6 tem
uma largura de banda de 250MHz.
Cat6a
A categoria 6a apresenta duas evoluções na comparação com a 6 (Cat6): um aumento na velocidade
de transmissão, chegando a 10.000Mbps, e o dobro da largura de banda máxima, atingindo 500MHz.
Cat7
A categoria 7, também conhecida como classe F, é constituída de cabos dos tipos blindados (SSTP)
ou duplamente blindados. Eles são mais grossos pelo fato de possuírem um isolamento maior que o
dos cabos Cat6e (essa característica torna sua instalação um pouco mais complicada por ser de difícil
manuseio). A velocidade de transferência pode chegar a 10.000Mbps, com uma largura de banda de
600MHz.
A escolha do cabo adequado influencia diretamente na velocidade da Ethernet. Também é importante
escolher periféricos compatíveis (roteadores, hubs etc.) e atentar para as distâncias entre os componentes
conectados à rede.
Sendo assim, a escolha dos cabos adequados tem de levar em consideração:
Distância
A distância entre os elementos, tendo em vista
a resistência que os cabos tenderão a
apresentar.
Velocidade
A velocidade dos periféricos utilizados.
Interferência
A exposição a interferências.
Como vimos, a rede Ethernet é recomendada em situações nas quais a velocidade da rede e a sua
confiabilidade são mais importantes que a flexibilidade.
Utilização do protocolo Ethernet/IP na indústria
Como destacamos, o protocolo Ethernet/IP se enquadra na camada de aplicação do TCP/IP.
O Ethernet/IP é o enquadramento do protocolo Ethernet especificamente em aplicações industriais. Dessa
maneira, ele é configurado para realizar a interface entre o hardware/hardware e o hardware/programa,
permitindo o acesso aos dispositivos de automação do processo industrial.
Esse protocolo classifica os nós da rede por dispositivos, possibilitando a interligação dos diversos
periféricos (controladores, computadores etc.). O Ethernet/IP foi desenvolvido como uma camada
específica para aplicações industriais.Dessa maneira, a tecnologia Ethernet/IP utiliza todos os protocolos Ethernet tradicionais, incluindo TCP e IP
padrões, assim como as tecnologias de acesso ao meio físico geral, em todos os equipamentos que possuam
interfaces de rede Ethernet.
Uma das maiores limitações no uso dos cabos em processos industriais é a deterioração dos conectores e a
exposição dos cabos de cobre e fibra a condições extremas.
Veja a seguir as principais causas de deterioração:
Poeira
O acúmulo de poeira nos dispositivos afeta a troca de calor com o ambiente (dissipação térmica), a
condutividade dos cabos etc.
Variações de temperatura
As temperaturas extremas (quentes ou frias) podem influenciar o desempenho de equipamentos e
cabos, além de promover danos físicos.
Umidade
A umidade pode provocar corrosão em conectores e equipamentos, acelerando o processo de
deterioração.
Interferências eletromagnéticas
As interferências eletromagnéticas são geradas pelos ruídos causados por sinais que estão
interferindo na transmissão.
Vibrações
As vibrações podem promover ou acelerar a deterioração, além de gerar mau contato.
Danos físicos
Os danos físicos são causados pelo contato frequente com o chão de fábrica (máquinas pesadas,
manutenções frequentes e excesso de manuseio), o que pode acelerar a deterioração e/ou danificar
os cabos.
Na imagem adiante, é possível observar os danos promovidos no revestimento de um cabo do tipo par
trançado.
Exemplo de danos a um cabo do tipo Ethernet.
Algumas soluções vêm sendo desenvolvidas pelos fabricantes, como os conectores industriais, que servem
especificamente para suportar as condições agressivas de um ambiente industrial. Os revestimentos para
cabos também vêm passando por um processo de renovação, tornando-os mais adequados para uso nos
ambientes industriais.
Um grande desafio na implementação da Ethernet/IP consiste na falta de mão de obra qualificada.
Como os profissionais de TI - mais capacitados para a implementação de sistemas de cabeamento e
protocolos de comunicação - não possuem um grande conhecimento dos equipamentos industriais,
a implementação de uma infraestrutura de integração torna-se um desafio.
Uma alternativa é a capacitação desses profissionais nas áreas de automação ou, de maneira mais adequada,
o aperfeiçoamento de profissionais de automação na área de redes industriais.
Embora enfrente a concorrência dos sistemas wi-fi (principalmente nos meios domésticos pelas restrições
apresentadas quanto à flexibilidade), algumas características garantem as vantagens das redes Ethernet
sobre as redes sem fio, como destacaremos a seguir.
Confiabilidade
A conexão a cabo é mais consistente que a conexão sem fio.
Velocidade
As redes cuja velocidade é mais alta ainda são a cabo, embora a tecnologia wi-fi tenha evoluído muito
nos últimos anos.
Interferência
As redes Ethernet são menos suscetíveis a interferências que as conexões wi-fi. Isso é indiscutível.
Segurança
As redes por fio são menos vulneráveis que as sem fio. Contudo, isso não significa que as redes com
fio sejam totalmente seguras.
Latência
Os atrasos com a transmissão e o recebimento de dados são menores nas redes com cabeamento.
Por exemplo, na próxima imagem, é possível observar a entrada para cabo de rede de um notebook. Apesar
de dotados de adaptadores wi-fi, esses dispositivos também apresentam a possibilidade de conexões para
redes com fio para oferecer opções de internet mais rápida e estável.
Exemplo de um dispositivo com adaptador wi-fi e conexão por cabo.
Vem que eu te explico!
Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.
As camadas do protocolo TCP/IP
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O protocolo Ethernet/IP e os desafios no meio industrial
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Verificando o aprendizado
Questão 1
O protocolo de comunicação Ethernet/IP é um dos mais difundidos no meio industrial, sendo amplamente
utilizado, principalmente em instalações que envolvem distâncias curtas. O Ethernet se enquadra no padrão
TCP/IP e, de forma mais específica, na camada de:
A
rede
B
transporte
C
interface
D
aplicação
E
latência
A alternativa D está correta.
O protocolo Ethernet se enquadra na camada de aplicação na medida em que possibilita a comunicação
(envio e recebimento de dados) de outras aplicações ou dispositivos.
Questão 2
Para que a transmissão de dados seja feita, é padrão que os dados sejam divididos em pacotes. Não apenas
para tornar o processo de envio mais fácil, mas também para zelar pela preservação da velocidade e da
latência dos sistemas de comunicação. Essa divisão dos dados em diversos pacotes no protocolo TCP/IP é
realizada na camada de:
A
transporte
B
rede
C
interface
D
latência
E
aplicação
A alternativa A está correta.
É na camada de transporte que ocorre o recebimento dos dados da camada de aplicação, a verificação de
sua integridade e a divisão em pacotes.
2. Protocolo Modbus
Protocolo de comunicação Modbus
A relação entre o protocolo Modbus e o modelo OSI
Assista ao vídeo a seguir para conhecer os principais pontos que serão abordados neste módulo.
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As redes industriais necessitam de protocolos de comunicação para a execução das mais diversas atividades.
Entre os protocolos abertos, aqueles de uso livre ou sem a necessidade de pagamentos de licenças,
o Modbus é um dos mais utilizados.
Por ser considerado acessível, o Modbus tornou-se um método de transmissão de informações amplamente
utilizado para a interligação de dispositivos industriais na comunicação entre equipamentos de fabricantes
distintos.
O que é o Modbus?
O Modbus é um protocolo de comunicação aberto amplamente utilizado no meio industrial para a
comunicação entre hardware e softwares de fabricantes iguais ou diferentes.
A partir desse protocolo, é possível realizar a comunicação mestre-escravo ou cliente-servidor. Ou seja, o
dispositivo configurado como escravo não iniciará a comunicação enquanto não for solicitado pelo mestre,
como pode ser visto na próxima imagem.
Configuração mestre-escravo via Modbus.
O Modbus é considerado uma das soluções mais inteligentes e abrangentes nos sistemas de comunicação
aplicados na automação industrial por ser facilmente adaptável a uma grande variedade de equipamentos
disponíveis. Além disso, por não necessitar do pagamento de licenças, é visto como uma das soluções mais
economicamente viáveis.
O Modbus faz parte da camada de aplicação do modelo OSI.
Modelo OSI
O modelo OSI consiste em um padrão para protocolos de rede que define o papel de cada camada que
compõe a arquitetura do sistema. Dessa forma, há uma definição sobre o que cada camada deverá fazer, mas
não sobre como isso será feito.
O modelo, portanto, estabelece o papel de cada camada. Contudo, os protocolos a serem utilizados estão em
aberto, podendo ser escolhidos livremente por usuários e programadores.
Esse modelo é perfeitamente adequado para a troca de informações (comunicação) entre periféricos. Ele é
constituído de sete camadas, cada uma com sua função específica.
Camadas do modelo OSI
As camadas são responsáveis por atividades, como, por exemplo, a transmissão de informações em nível de
hardware e de usuário. Por essa razão, protocolos tão distintos são necessários.
As camadas do modelo podem ser vistas na imagem a seguir:
Camadas de um modelo OSI.
As camadas inferiores são específicas para a transmissão das informações. Veja:
Camada física
Nesta camada, estão os dispositivos físicos propriamente ditos. É nela que são especificados os
dispositivos e os meios de transmissão.
Enlace
Nesta camada, os dados do meio físico são recebidos e passam por uma análise preliminar que busca
erros a fim de corrigi-los. Também é feito o controle do fluxo de transmissão de dados e são definidas
as topologias (anel, árvore etc.).
Rede
Esta camada é responsávelpelo endereçamento propriamente dito. São gerados os endereços de
origem e de destino, além de ser dada a prioridade aos pacotes (caso eles existam).
Na sequência, vem a camada de transporte.
Transporte
Esta camada representa a maneira como os dados propriamente ditos serão distribuídos. Ela
assegura o sucesso do envio e do recebimento dos dados.
Por fim, são definidas as camadas de interação com o usuário, como veremos a seguir.
Sessão
Esta camada tem a função de estabelecer e finalizar as conexões com os computadores destinatários
ou originários das informações. Também oferece suporte às sessões de registro (login) e requisitos de
segurança.
Apresentação
Nesta camada, é realizada a descriptografia, ou seja, a operação inversa da criptografia. Ocorrem
então as conversões de códigos em caracteres e a compactação dos dados.
Aplicação
Esta camada é a última e tem por objetivo estabelecer a relação entre homem e máquina. É por meio
dessa camada que os usuários conseguem interagir com as máquinas a partir de envio de e-mails,
transferência de arquivos e outras funcionalidades.
O Modbus integra a camada de aplicação do modelo OSI, podendo utilizar como meio físico para a troca de
dados os padrões RS-232, RS-485 ou Ethernet TCP/IP (par trançado com conector RJ-45).
Relembrando
Esses padrões correspondem aos meios físicos que podem ser utilizados na troca de dados (o padrão
Ethernet TCP/IP já foi discutido anteriormente). 
Os padrões RS-232 e RS-485 são protocolos de transferência de dados baseados na interface serial (porta
serial). Vamos conhecer cada um deles adiante.
Padrão RS-232
É um padrão de transferência de dados serial que pode ser configurado para os modos full-duplex ou half-
duplex. Veja a diferença entre eles:
Uma imagem de um cabo com padrão RS-232 pode ser vista na imagem adiante:
Exemplo de cabo com conectores no padrão RS-232.
Padrão RS-485
Mais amplamente utilizado no meio industrial, o RS-485 pode ser configurado para comunicação com vários
receptores e transmissores, ou seja, ele tem topologia multiponto.
As comunicações com o RS-485 podem ser configuradas em interfaces com dois contatos em modo half-
duplex, no qual cada equipamento envia ou recebe os dados exclusivamente por vez. De maneira similar, elas
podem ser configuradas em modalidade de quatro contatos, funcionando como full-duplex. Dessa forma, os
dados conseguem ser transmitidos e recebidos simultaneamente.
As diferenças entre o RS-232 e o RS-485 são diversas, como destacaremos a seguir.
Número de fios
O RS-232 é composto por nove fios com
finalidades diferentes na transmissão dos
dados, enquanto o RS-485 é formado por
apenas três (dois para transmissão de dados e
um de aterramento).
Transmissão
No RS-232, a transmissão é full-duplex (os
dados podem ser transmitidos em ambas as
direções, ou seja, é possível enviar e receber
informações). No RS-485, o padrão é half-
duplex, transmitindo apenas em uma direção
por vez.
Full-duplex 
O modo full-duplex permite que os dados
sejam enviados e recebidos
simultaneamente.
Half-duplex 
No modo half-duplex, o padrão
apresenta uma única linha para
transmitir e receber os dados, tendo
uma operação mais limitada. Ele pode
ser configurado para transmitir ou
receber os dados, mas não os dois.
Tensão de alimentação
O RS-232 trabalha com níveis de tensão de
+12V e -12V, enquanto o RS-485 atua com +5V
e -5V.
Tais diferenças podem tornar os protocolos mais interessantes para as diversas aplicações.
Cada padrão de comunicação apresenta características próprias, como, por exemplo, velocidade de
comunicação, quantidade máxima de dispositivos conectados e comprimento da rede.
Utilização do Modbus na indústria
O Modbus é capaz de enviar ou receber dados analógicos (numéricos) de entradas e saídas analógicas ou de
enviar e receber dados digitais (booleanos) de entradas e saídas digitais.
Esse protocolo se tornou tradicional no uso com controladores lógicos programáveis (CLPs) e na
relação desses equipamentos com sensores e atuadores diversos de um processo industrial.
O protocolo permite a operação conjunta entre computadores, periféricos, sistemas supervisórios,
controladores e interfaces de operação (interfaces homem/máquina), permitindo a comunicação, o controle e
o gerenciamento dos mais diferentes e diversificados dispositivos industriais no campo.
Com isso, é fácil compreender o papel fundamental do protocolo de comunicação em um sistema industrial,
seja ele simples ou complexo, no monitoramento e no controle de equipamentos e processos produtivos.
Como funciona o protocolo?
Com a utilização do protocolo Modbus, é possível enviar sinais para máquinas, controladores e atuadores e
recebê-los de equipamentos e periféricos. Também se consegue controlar e transmitir dados para dispositivos
externos à malha de controle desde que eles façam parte da rede de dados.
O protocolo permite monitorar e programar dispositivos diversos e atuar em equipamentos
inteligentes (sensores e instrumentos), podendo ser empregado nos sistemas industriais modernos.
Em seu funcionamento, as informações são encapsuladas em formato binário para serem enviadas pelo meio
físico. O mestre envia a solicitação de leitura ou escrita de dados para o escravo e recebe a resposta.
O protocolo utiliza um método de controle de acesso que evita a colisão na emissão de pacotes de dados
(CSMA-CD).
Exemplo
Um supervisório do tipo SCADA solicita a requisição de dados (leitura de dados) de um sensor. Esse
supervisório deseja enviar um comando para manipulação de uma válvula. O mestre (computador que
roda o supervisório, por exemplo) orientará esses pedidos de informação, enquanto o escravo
(controlador) permanecerá aguardando os comandos do supervisório. 
Entre as funções de um Modbus, podemos destacar:
Comandos para alterações nos valores lógicos de um dispositivo digital;
Comando para alterações nos valores dos registros de um dispositivo analógico;
Controle da entrada e saída de um dispositivo;
Controle da leitura dos dados de uma porta (entrada e saída) de um dispositivo;
Solicitação de envio de dados.
Pacote de dados no Modbus
Cada pacote de dados no Modbus é conhecido como frame e possui a seguinte estrutura para envio de
informações:
Endereço do escravo, que especifica qual periférico receberá a solicitação ou instrução;
Código da função ou do comando a ser executado;
Conjunto de dados a ser informado ou lido;
Informação de checagem de erros (dados corrompidos, falha na entrega ao destinatário etc.).
Entre os principais modos de transmissão de dados do Modbus, podemos destacar:
ASCIII
Na transmissão ASCII (American Standard Code for Information Interchange), cada byte (conjunto de
8 bits) é transmitido com dois caracteres ASCII. Como ponto positivo, ele possui intervalos de tempo
de cerca de 1 segundo entre cada caractere sem falhas, com o monitoramento da rede a cada nova
mensagem.
Dessa forma, quando o mestre inicia uma mensagem, os dispositivos ligados à rede decodificam a
informação de endereço para identificar qual escravo a receberá. O início da mensagem é definido
pelo caractere dois pontos (:).
RTU
No modo de unidade terminal remota (RTU), cada envio de 8 bits apresenta dois caracteres
hexadecimais de 4 bits. A indicação do início ou término de uma mensagem é apresentada pela
interrupção de transmissão de dados na rede.
TCP/IP
Este modo de transmissão é baseado no protocolo TCP/IP para envio e recebimento de dados da
rede. A comunicação é feita com base nas camadas do protocolo TCP/IP junto aos dados básicos do
Modbus.
O protocolo Modbus é amplamente utilizado nos processos industriais pela característica de
compatibilidade com os diversos equipamentos, sendo de fácil configuração. Ele é bastante
empregado em interligações de unidades remotas e sistemas supervisórios.
Vem que eu te explico!
Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.
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A comunicação mestre-escravono Modbus
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A diferença entre os padrões RS-232 e RS-485
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Verificando o aprendizado
Questão 1
O protocolo Modbus representa uma solução inteligente para os sistemas de comunicação industriais. Suas
características permitem que ele seja enquadrado dento do modelo OSI - mais especificamente, na camada
de:
A
aplicação
B
transporte
C
enlace
D
rede
E
física
A alternativa A está correta.
A camada de aplicação é aquela que procura estabelecer uma relação entre as máquinas e os operadores,
permitindo que um usuário seja capaz de compreender as informações de maneira amigável e de produzir
comandos que possam ser executados pela máquina.
Questão 2
Os padrões RS-232 e RS-485 são as estruturas físicas utilizadas por diversos protocolos (entre eles, o
Modbus) para estabelecer a comunicação com os dispositivos de campo e os controladores. Quanto às
diferenças e às características desses padrões, assinale a alternativa correta.
A
O RS-232 opera com tensões de +5V e -5V.
B
O RS-232 opera com tensões de +12V e -12V.
C
O RS-485 é formado por nove fios com finalidades distintas.
D
O RS-485 opera com tensões de +12V e -12V.
E
O RS-232 é formado por apenas três fios (dois para transmissão e um para terra).
A alternativa B está correta.
A tensão de operação do RS-232 é na faixa de +12V e -12V, enquanto a tensão de operação do RS-485 fica
na faixa de +5V e -5V.
3. Protocolo Hart
Protocolo de comunicação Hart
A transmissão de dados analógicos e digitais no protocolo Hart
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O protocolo Hart foi desenvolvido com o objetivo de facilitar algumas atividades industriais, como calibração
de instrumentos e ajustes de amortecimento e de range de dispositivos analógicos.
Esse protocolo é bidirecional, ou seja, permite que a informação se propague em seus dois sentidos.
Uma similaridade entre o Modbus e o Hart é o fato de ambos serem protocolos abertos de
comunicação, o que permitiu sua rápida popularização no meio industrial.
Além das características já citadas, o Hart permite enviar e receber sinais digitais entre equipamentos
inteligentes e sistemas digitais de controle e monitoramento distribuídos. 
Como funciona o protocolo Hart?
Os sinais digitais são enviados de forma sobreposta sobre os sinais de 4 a 20mA do looping de corrente que
interligam os instrumentos de campo e os sistemas de controle.
Esse protocolo utiliza um padrão denominado Bell 202 que permite uma modulação por chaveamento de
frequência. Graças a essa técnica de modulação, um sinal digital modulante varia a frequência de uma
portadora analógica de acordo com valores predefinidos.
Um exemplo de modulação FSK pode ser visto na imagem abaixo.
Modulação FSK.
É possível observar que a duração da largura do pulso modula a frequência do sinal analógico, permitindo que
um sinal digital seja identificado dentro da informação analógica.
Resumindo
A transferência de dados em um protocolo Hart é realizada a 1.200bits por segundo (bps). 
É importante destacar que a transmissão do sinal digital é feita sem a interrupção do sinal analógico de 4 a
20mA.
Uma das características mais marcantes do protocolo Hart é fornecer dois sinais de forma simultânea: um 
sinal analógico (4 a 20mA) e um sinal digital. Com isso, é possível dispor de diversos sinais digitais e
analógicos da planta.
Exemplo
O protocolo permite a obtenção da informação da variável do processo e do sinal digital, que se
sobrepõe ao dado com os diagnósticos e as condições do equipamento. 
O Hart é uma solução bastante útil para as empresas na utilização de dispositivos inteligentes de
comunicação. Outra vantagem dele é a preservação dos investimentos realizados na instalação de
componentes analógicos, incluindo o cabeamento.
É possível observar que o protocolo Hart foi desenvolvido para permitir a comunicação bidirecional com os
equipamentos de um processo. Pode-se realizar também a comunicação com os instrumentos inteligentes,
possibilitando uma boa adaptação aos processos industriais modernos.
A comunicação Hart é realizada no formato mestre-escravo, como, por exemplo, sensores ou
atuadores e um sistema de controle.
O envio de informações de um escravo só começa com o comando do dispositivo mestre, que pode ser um
controlador, um SCADA ou outro periférico. No entanto, o escravo recebe a informação enviada pelo mestre,
como uma válvula ou um atuador, entre outros exemplos.
Recomendação
O protocolo pede que a carga total do sistema fique entre 230ohms e 1.100ohms para que a
comunicação seja confiável. 
Principais características
Como já discutimos, o Hart é um protocolo de comunicação do tipo mestre e escravo, ou seja, durante a
comunicação, cada envio de dados do escravo (que é um dispositivo habilitado para a comunicação Hart) é
iniciado por um comando ou uma solicitação de um mestre (host) também habilitado para comunicação Hart.
O dispositivo escravo é tipicamente um instrumento (dispositivo de medição) ou um atuador (válvula, motor
etc.).
Uma característica importante do protocolo Hart é o fato de que ele pode ser utilizado na comunicação ponto
a ponto ou multiponto. Vamos conhecer cada uma delas a seguir.
Ponto a ponto
Nesta topologia, um único loop de corrente (que percorre o circuito) é
estabelecido entre o escravo e o mestre. O sinal Hart (analógico e digital)
trafega do instrumento ou atuador para o sistema de monitoramento ou
controle com informações contínuas do processo.
Uma ilustração da topologia ponto a ponto pode ser vista na imagem a
seguir.
É possível perceber que a alimentação produzida pela fonte percorre o
elemento do circuito (escravo) normalmente. Em paralelo, o mestre vai
coletando a informação referente à informação obtida pelo elemento
sensor.
Multiponto
Nesta topologia, diversos dispositivos escravos (habilitados para Hart)
são conectados ao processo e compartilham uma única linha de
transmissão. É importante notar que, para que isso seja possível, é
fundamental que os escravos estejam conectados em paralelo, ou seja,
compartilhando a mesma fonte de alimentação e o mesmo mestre para
todos os três.
Dessa forma, cada dispositivo se mantém fixo ao padrão 4 a 20mA.
Apenas o sinal digital de cada escravo será inserido no sinal do looping
(sinal que percorre o circuito).
É necessário destacar também que, no protocolo Hart, os escravos não
podem se comunicar com o mestre de maneira simultânea (dois ou mais
ao mesmo tempo). Sendo assim, a comunicação ocorre com cada
escravo possuindo o seu endereço no protocolo Hart exclusivo, o que
será solicitado pelo mestre quando for necessário.
Alguns protocolos Hart permitem a conexão de até 64 dispositivos em
uma topologia multiponto. Na imagem adiante, é possível ver uma
ilustração de uma topologia do tipo multiponto.
Também é interessante observar que, no protocolo Hart, estão previstos
até dois mestres, sendo um primário e outro secundário. Isso permite que
aparelhos, como configuradores e registradores de mão, entre outros,
sejam conectados como mestres secundários em uma linha sem que haja
interferência na comunicação principal entre o mestre primário e o
escravo.
Pode-se configurar ainda o dispositivo escravo Hart para um modo de
comunicação denominado burst. Nesse modo, o dispositivo envia uma
mensagem de maneira contínua para o mestre sem a necessidade de
solicitações ou comandos.
Conjuntos de comandos
Os conjuntos de comandos e seus diferentes tipos são especificados nas configurações do Hart. Isso busca
assegurar que os dispositivos de qualquer fabricante - desde que estejam habilitados para a comunicação por
meio do protocolo Hart - sejam capazes de se comunicar nesse protocolo.
Um arquivo do tipo Device Description (DD) está localizado no interior do mestre (habilitadopara a
comunicação Hart) a fim de fornecer todos os tipos de comandos. O conjunto de comandos Hart deve ser
capaz de fornecer informações uniformes e consistentes sobre todos os dispositivos de campo, permitindo o
monitoramento do sistema pelo mestre e a execução de qualquer um dos comandos de maneira geral ou
específica.
Entre os conjuntos de comandos disponíveis, podemos citar:
Universal
São instruções que todos os dispositivos habilitados para se comunicarem em protocolo Hart devem
ser capazes de reconhecer e suportar. Esses comandos fornecem acesso a informações úteis em
operações regulares, como, por exemplo, a leitura de variáveis primárias e unidades. Como exemplos,
podemos citar as seguintes ações:
Ler o fabricante e o tipo de dispositivo;
Ler a variável primária e a unidade de medida;
Ler a saída atual e a porcentagem do intervalo;
Ler até quatro variáveis dinâmicas;
Ler ou escrever a tag (identificação) do instrumento;
Ler ou escrever mensagens;
Ler valores de intervalo de dispositivo;
Escrever endereço do dispositivo.
Comandos de prática
São instruções capazes de ser implementadas por muitos, mas não por todos os dispositivos de
comunicação Hart. Entre os comandos de prática, podemos citar:
Ler a seleção de até quatro variáveis dinâmicas;
Escrever valores de intervalos de dispositivo;
Calibrar um instrumento;
Definir valor de corrente de saída;
Executar um autoteste;
Executar um reset principal;
Escrever uma função de transferência;
Ler ou escrever atribuições de variáveis dinâmicas.
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Comandos específicos
São instruções exclusivas de determinados dispositivos. Trata-se de informações de configuração e
calibração, bem como de construção, de determinados dispositivos. Como exemplos de comandos
específicos, podemos enumerar estes:
Ler ou escrever valores de corte baixo;
Iniciar, parar ou limpar um totalizador;
Ler ou escrever fatores de calibração;
Escolher valores de variáveis de processo;
Calibrar os sensores;
Habilitar um sistema de controle pid;
Ajustar os parâmetros de um sistema pic;
Caracterizar uma válvula;
Ajustar os pontos de referência de uma válvula de controle;
Especificar os limites de excursão de uma válvula;
Definir as informações de exibição local (no display do equipamento).
Vantagens do protocolo Hart
Por ser um protocolo bidirecional e capaz de atuar através de dois sinais simultaneamente, o protocolo Hart
apresenta a vantagem de não prejudicar o sinal analógico (4 a 20mA).
Além disso, entre as características do protocolo, podemos destacar:
Interoperabilidade, isto é, a capacidade que o protocolo apresenta de lidar com dispositivos de
diferentes fabricantes e multivariáveis;
Robusto;
Baixo custo, com a vantagem de manutenção da instalação analógica existente;
Protocolo aberto e compatível com a maioria dos dispositivos analógicos;
Projeto, manutenção e instalação simples;
Comunicação ponto a ponto e multiponto com fácil configuração;
Capacidade de suportar até dois mestres.
Aplicações nos processos industriais
Como exemplo, pode-se imaginar a medição da temperatura em um processo industrial. Essa variável primária
do processo seria informada como um sinal analógico dentro do Hart.
De maneira adicional, um sinal digital poderia ser enviado com informações sobre o status do instrumento,
valores adicionais ou dados calculados a partir da variável principal, entre outros exemplos.
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Saiba mais
Em ambientes agressivos, o protocolo é capaz de codificar os sinais com precisão, mesmo em condições
ruidosas. 
Por meio de seu duplo sinal (analógico e digital), é possível enviar a informação do processo e sinais
indicativos de erros e/ou falhas, aumentando, com isso, a confiabilidade dos processos.
Realiza-se a verificação da integridade do loop. Como a resposta do escravo só é feita com a solicitação ou o
comando do mestre, em caso de falha (ruptura de cabeamento ou danos ao mestre ou ao escravo), a
percepção da perda de comunicação pode ser tardia.
Como o instrumento de campo possui uma tag (identificação), seus dados de configuração podem
ser confirmados a partir de um teste de integridade do circuito analógico, sendo ela suportada pela
maioria dos dispositivos Hart.
O teste de loop permite que um sinal analógico do transmissor Hart seja ajustado para um valor específico. A
integridade é confirmada ao se comparar o valor do sinal analógico “forçado” com o valor analógico informado
pelo dispositivo.
Saiba mais
Por se tratar de um protocolo aberto e de fácil configuração, o protocolo Hart, para permitir as medições
em locais de difícil acesso, começou a ser combinado com as metodologias sem fio, dando origem ao
protocolo WirelessHart. 
Essa questão contribuiu significativamente para a utilização do WirelessHart nos processos de modernização
da indústria. Contudo, é importante notar que características marcantes do protocolo Hart precisam ser
mantidas, tais como:
Interoperabilidade Confiabilidade
Segurança Monitoramento em tempo real
A questão da segurança continua sendo um problema típico dos sistemas sem fio, exigindo medidas robustas
e integradas de proteção da rede. Isso inclui novas técnicas de criptografia, como a AES, que permite a
criptografia dos dados com 128 bits e uma chave de segurança para cada mensagem, e a autenticação dos
dispositivos.
Vem que eu te explico!
Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.
Utilidade do protocolo Hart
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Ligação dos sensores no protocolo Hart
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Verificando o aprendizado
Questão 1
Nas configurações de um protocolo Hart, a comunicação com os instrumentos no qual um único loop de
corrente é estabelecido entre um único instrumento e um controlador é definida como:
A
mestre
B
escravo
C
multiponto
D
ponto a ponto
E
burst
A alternativa D está correta.
Na comunicação de um único instrumento com um controlador cujos sinais do instrumento (escravo) são
enviados para o controlador (mestre), a topologia é definida como ponto a ponto.
Questão 2
Na topologia do protocolo Hart do tipo multiponto, diversos escravos podem ser conectados a um ou dois
mestres. Nessa topologia, é fundamental que os instrumentos (escravos) sejam habilitados para a
comunicação Hart e conectados no loop de corrente:
A
em paralelo.
B
em serial.
C
de maneira híbrida.
D
de maneira sequencial.
E
em bypass.
A alternativa A está correta.
Os instrumentos (escravos) habilitados em Hart devem ser conectados em paralelo de maneira que o
mestre consiga realizar a coleta das informações e os instrumentos possam atuar sobre o circuito sem
afetar o sinal analógico (4 a 20mA).
4. Conclusão
Considerações finais
Discutimos neste conteúdo os principais protocolos das redes industriais.
Apresentamos primeiramente o protocolo Ethernet, um dos mais utilizados nos processos industriais,
principalmente em curtas distâncias. Apesar de a tecnologia wi-fi ter se expandido pelo mundo nas mais
diversas aplicações e de, no meio doméstico, ter ocupado o lugar das conexões a cabo, a Ethernet ainda é
amplamente utilizada nos meios industriais por conta das seguintes vantagens apresentadas em relação às
conexões wi-fi: segurança, velocidade e latência, entre outros.
Discutimos também o protocolo Modbus, apontando suas especificidades de configuração e a relevância do
modelo, assim como sua relação com o modelo OSI e as especificações dos meios físicos de transmissão de
dados. Além disso, descrevemos em detalhes a utilização dele na indústria e a padronização do pacote de
dados do Modbus, incluindo os seus modos de transmissão.
Falamos ainda sobre o protocolo Hart. Protocolo aberto e de simples instalação e configuração, ele apresenta
grandes vantagens quanto ao seu uso em ambientes industriais.Entre as principais, apontamos a capacidade
de comunicação incluindo dois sinais (analógico e digital), o que lhe permite ocorrer através de dois canais,
como, por exemplo, a informação da variável do processo e um indicador de status do equipamento. Outra
vantagem no uso do Hart é a capacidade de suportar até dois mestres sem interferência e a multiplexação de
até 64 dispositivos em uma topologia de multipontos.
As ferramentas de autoteste também representam vantagens na comparação com outros sistemas,
permitindo a realização de ensaios de integridade do sistema. Por fim, frisamos que a capacidade de
utilização de instalações originais dos equipamentos, com a manutenção do padrão analógico de 4 a 20mA
(mesmo em uma configuração digital), representa outra vantagem desse protocolo associada a uma redução
no custo de instalação.
Podcast
Agora o especialista encerra este conteúdo falando sobre seus principais tópicos abordados.
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Compreenda mais sobre protocolos de redes industriais lendo o artigo científico Modelagem e simulação de
redes de comunicação baseadas no protocolo CAN - Controller Area Network, de Eduardo P. Godoy e outros
autores.
Referências
LUGLI, A. B.; SANTOS, M. M. D. Redes industriais para automação industrial. São Paulo: Saraiva Educação SA,
2010.
 
MARTINS, J. S. B. Redes industriais: o estado da arte da tecnologia. Seminário sobre Redes de Comunicação
Industrial. n. 1. 1990. p. 1-10. Anais [...] São Paulo: Sobracon, 1990.
 
RECH, J. R. et al. Desenvolvimento de um gerente de rede WirelessHART. Trabalho de conclusão de curso
(graduação em Engenharia da Computação). Rio Grande do Sul: Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
2012.
 
RIBEIRO, M. A. Automação industrial. Salvador: [s.n.], 1999.
 
ROGGIA, L.; FUENTES, R. C. Automação industrial. Santa Maria: E-tec Brasil, 2016.
 
SALAZAR, A. O. et al. Automação, controle e supervisão de uma planta industrial utilizando tecnologias em
redes industriais. CEP. v. 59072. 2006. p. 970.
	Protocolos de redes industriais
	1. Itens iniciais
	Propósito
	Objetivos
	Introdução
	Introdução
	Conteúdo interativo
	1. Protocolo Ethernet/IP
	Redes Ethernet
	A importância da rede Ethernet
	Conteúdo interativo
	Protocolo TCP/IP
	TCP
	IP
	Camada de aplicação
	Camada de transporte
	Camada de rede
	Camada de interface
	Protocolo Ethernet
	Velocidade
	Sinal
	Cat5
	Cat5e
	Cat6
	Cat6a
	Cat7
	Distância
	Velocidade
	Interferência
	Utilização do protocolo Ethernet/IP na indústria
	Poeira
	Variações de temperatura
	Umidade
	Interferências eletromagnéticas
	Vibrações
	Danos físicos
	Confiabilidade
	Velocidade
	Interferência
	Segurança
	Latência
	Vem que eu te explico!
	As camadas do protocolo TCP/IP
	Conteúdo interativo
	O protocolo Ethernet/IP e os desafios no meio industrial
	Conteúdo interativo
	Verificando o aprendizado
	2. Protocolo Modbus
	Protocolo de comunicação Modbus
	A relação entre o protocolo Modbus e o modelo OSI
	Conteúdo interativo
	O que é o Modbus?
	Modelo OSI
	Camadas do modelo OSI
	Camada física
	Enlace
	Rede
	Transporte
	Sessão
	Apresentação
	Aplicação
	Relembrando
	Padrão RS-232
	Padrão RS-485
	Número de fios
	Transmissão
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	Utilização do Modbus na indústria
	Como funciona o protocolo?
	Exemplo
	Pacote de dados no Modbus
	ASCIII
	RTU
	TCP/IP
	Vem que eu te explico!
	A comunicação mestre-escravo no Modbus
	Conteúdo interativo
	A diferença entre os padrões RS-232 e RS-485
	Conteúdo interativo
	Verificando o aprendizado
	3. Protocolo Hart
	Protocolo de comunicação Hart
	A transmissão de dados analógicos e digitais no protocolo Hart
	Conteúdo interativo
	Como funciona o protocolo Hart?
	Resumindo
	Exemplo
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	Comandos específicos
	Vantagens do protocolo Hart
	Aplicações nos processos industriais
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	Verificando o aprendizado
	4. Conclusão
	Considerações finais
	Podcast
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	Referências