Estudo HART redes industriais

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UNIVERSIDADE GAMA FILHO 
PRÓ-REITORIA DE CIÊNCIAS EXATAS TECNOLOGICA 
Coordenação de Engenharia de Controle e Automação Industrial 
CTA157 - Redes Industriais; 
Professor: William Paes da Silva; 
Aluno: Renato Furtado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ESTUDO DE CASO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Rio de Janeiro, 26 de Junho de 2013. 
 
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SUMÁRIO 
 
 
Sumário ......................................................................................................................... 1 
 
Introdução ..................................................................................................................... 2 
 
Modulação do sinal Hart ............................................................................................... 3 
 
Especificações da Hart ................................................................................................. 4 
 
Endereçamento da mensagem Hart .............................................................................. 5 
 
Topologia ..................................................................................................................... 6 
 
Topologia ponto-ponto ................................................................................................. 7 
 
Topologia multidrop ..................................................................................................... 8 
 
Cabo e comprimento máximo da rede .......................................................................... 9 
 
Multiplexadores .......................................................................................................... 10 
 
Configuração da rede .................................................................................................. 11 
 
Exemplo de aplicação ................................................................................................ 12 
 
Exemplo de aplicação ................................................................................................ 13 
 
Conclusão ................................................................................................................... 14 
 
Bibliografia ................................................................................................................. 15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INTRODUÇÃO 
O protocolo HART (Highway Adressable Remote Transducer) foi desenvolvido 
em meados da década de 1980 pela Rosemount Inc., este protocolo foi inicialmente 
desenvolvido para ser utilizado em instrumentos de campo inteligentes. Originalmente 
o protocolo foi logo publicado para uso gratuito, em 1990, formou-se o Grupo de 
Usuários HART. Em 1993, a marca comercial registrada e todos os direitos autorais 
do protocolo foram transferidos para a HART Communication Foundation (HCF). 
 HART é classificada como uma rede fieldbus, que se caracteriza por ter dados 
transferidos no formato de pacotes de mensagens, uma rede mais inteligentes que 
pode se conectar com mais de um equipamento a distâncias mais longas, os 
equipamentos ligados a rede podem desempenhar funções específicas de controle tais 
como loops de PID, controle de processos. 
 A HART permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais 
analógicos 4~20mA no mesmo cabo, sem interferência entre ambos sinais. 
 
MODULAÇÃO DO SINAL HART 
 O Protocolo HART utiliza como padrão Bell 202, de chaveamento por 
deslocamentos de frequência (FSK), para sobrepor os sinais de comunicação digital ao 
de sinal analógico de 4~20mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao 
zero, não existe nível DC associado ao sinal, 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 abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Sinal (FSK) para codificar a informação digital de 
comunicação sobre o sinal de corrente 4~20mA 
 
 
 
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Figura 2 – Sobreposição do sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4~20mA 
 
 O Protocolo de comunicação fornece dois canais de comunicação simultâneos, 
o sinal analógico de 4~20mA e um sinal digital. O sinal analógico transmite o valor 
primário medido pelos instrumentos de campo, utilizando uma malha de corrente de 
4~20mA. As informações adicionais do dispositivo são transmitidas por meio de um 
sinal digital sobreposto ao sinal analógico. O sinal digital contém as informações do 
dispositivo, tais como status, diagnósticos, valores adicionais medidos ou calculados. 
Juntos, os dois canais de comunicação oferecem uma solução de comunicação de 
campo extremamente sólida e completa, de baixo custo e de fácil utilização e 
configuração. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 – Comunicação HART em dois Canais de Comunicação (Analógico e Digital) 
 
 
 
 
 
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ESPECIFICAÇÕES DA HART 
A Camada Física do HART: Se baseia no padrão Bell 202, utilizando modulação por 
chaveamento de frequência (FSK) para se comunicar a uma taxa de 1200 bps. As 
frequências de sinal representando os valores de bit 0 e 1 são, respectivamente, 2200 
Hz e 1200 Hz. Este sinal é sobreposto com baixa potência sobre o sinal de medição 
analógico de 4~20 mA, sem causar nenhuma interferência com o sinal analógico. 
 
A Camada de Enlace (Links de Dados): Define o protocolo mestre/escravo – em 
utilização normal, um dispositivo de campo somente responde quando solicitado. 
Podem existir dois mestres, por exemplo, um sistema de controle como mestre 
primário e um comunicador portátil HART como mestre secundário. As regras de 
temporização definem quando cada mestre pode iniciar a transação de comunicação. 
Até 15 dispositivos escravos podem ser conectados a um único par de cabos 
multipontos. 
 
A Camada de Rede: Fornece serviços de roteamento, segurança de ponto a ponto e 
transporte. Ela gerencia as "sessões” para comunicação de ponto a ponto com os 
dispositivos correspondentes. 
 
A Camada de Transporte: A Camada de Links de Dados garante que as comunicações 
sejam propagadas com sucesso de um dispositivo para outro. A Camada de Transporte 
pode ser utilizada para garantir o sucesso da comunicação de ponto a ponto. 
A Camada de Aplicação define os comandos, respostas, tipos de dados e os relatórios 
de status aceitos pelo protocolo. Na Camada de Aplicação, os comandos públicos do 
protocolo estão divididos em quatro grandes grupos: 
 
1. Comandos Universais – contêm funções que devem ser implementadas em 
todos os dispositivos de campo 
2. Comandos de Práticas Comuns – contêm funções comuns a vários dispositivos, 
mas não a todos 
3. Comandos Específicos de Dispositivos – contêm funções exclusivas de um 
determinado dispositivo de campo e são especificados pelo fabricante do 
dispositivo 
4. Comandos de Famílias de Dispositivos – contêm uma série de funções 
padronizadas para instrumentos com tipos específicos de medição, permitindo o 
acesso geral completo sem utilizar comandos específicos do dispositivo. 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 4 - Modelo OSI 
 
ENDEREÇAMENTO DA MENSAGEM HART 
 A estrutura da mensagem enviada pelo sinal HART digital é caracterizado pelas 
seguintes etapas: 
1. O preâmbulo possui entre 5 e 20 bytes em hexadecimal (todos 1’s) e auxilia o 
receptor a sincronizar o "stream" decaracteres; 
 
2. O caractere de início indica o tipo de mensagem: mestre para escravo, escravo 
para mestre, ou mensagem em "burst" do escravo; e também o formato do 
endereço: quadro curto ou quadro longo; 
 
3. O campo endereçamento inclui o endereço do mestre (um único bit: 1 para 
mestre primário, 0 para mestre secundário) e do escravo. No formato de quadro 
curto, o endereço do escravo tem 4 bits contendo o “polling address” (0 a 15). 
No formato de quadro longo, o tamanho é de 38 bits contendo o “identificador 
único” para um instrumento em particular (um bit é também usado para indicar 
se o escravo está em modo burst); 
 
4. O byte comando contém o tipo de comando HART associado à mensagem. Os 
comandos universais estão na faixa de 0 a 30; comandos práticos estão na faixa 
de 32 a 126; comandos específicos do instrumento estão na fixa de 128 a 253; 
 
5. O byte contador de byte contém o número de bytes dos campos status e dado. O 
receptor usa-o para saber quando a mensagem está completa, uma vez que não 
existe o caractere especial “fim de mensagem”; 
 
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6. O campo status (também conhecido como “código de resposta”) tem dois bytes 
presentes somente na mensagem de resposta de um escravo. Ele contém 
informações sobre erros de comunicação no recebimento de mensagem, o status 
do comando recebido e o status do instrumento; 
 
7. O campo dados pode estar presente ou não, dependendo do comando particular. 
O comprimento máximo recomendado é de 25 bytes, para manter uma duração 
global de mensagem razoável; 
 
8. O checksum contém um “ou exclusivo” ou “paridade longitudinal” de todos os 
bytes anteriores (do caractere de início em diante). Junto com o bit paridade 
anexado a cada byte, ele é usado para detectar erros na comunicação. 
 
 
 
Figura 5 – Estrutura da Mensagem HART 
 
TOPOLOGIA 
 A HART é um protocolo do tipo mestre-escravo, tipicamente entre um 
instrumento de campo e um sistema de controle ou monitoramento, podendo ser ponto 
a ponto ou multidrop. 
 
 
 
 
 
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PONTO A PONTO 
 A comunicação ponto a ponto entre mestre e escravo, o mestre 
primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), CLP 
(Controlador Lógico Programável), controle central baseado em computador ou um 
sistema de monitoração, conforme a figura 5.desta forma a comunicação é digital e 
simultaneamente há comunicação dos instrumentos de campo de forma analógica com 
sinal de 4~20mA. desta forma permite que a informação digital proveniente do 
instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre, ou seja, cada 
ciclo de pedido e recebimento de valor dura cerca de 500ms. O sinal analógico de 
4~20mA é contínuo e carrega a variável primária para controle. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6 – O Protocolo HART permite que dois equipamentos mestres acessem 
informação de um mesmo equipamento de campo (escravo). 
 
 Na topologia ponto a ponto um segundo mecanismo de transferência de dados é 
possível. O instrumento pode enviar de forma autônoma e periódica o valor de uma 
variável, no intervalo entre estes envios o mestre pode executar um ciclo de pergunta e 
resposta. A taxa de transmissão neste caso se eleva para 3 ou 4 atualizações por 
segundo. Este modo é denominado burst ou broadcast mode. O mestre pode enviar 
uma mensagem para interromper este envio contínuo de mensagens de reply, segundo 
sua conveniência. 
 Na ligação mestre-escravo convencional, o sinal analógico mais o sinal digital 
ou somente comunicação digital, o sinal analógico não é interrompido, o escravo 
responde aos comandos requisitados pelo mestre. valor típico de 500ms por transação 
ou seja 1 pergunta e 1 resposta por segundo. 
 
 
 
 
 
 
Figura 7 – Mestre/Escravo - Resposta por Varredura 
 
 
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 No modo Burst a comunicação é puramente digital, a resposta de uma variável 
selecionada é contínua, as janelas existentes entre cada resposta permitem ao Mestre 
mudar o comando ou o modo de comunicação. 3 a 4 atualizações por segundo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8 – Modo de comunicação HART Burst - Opcional 
 
MULTIDROP (Daisy Chain) 
 A rede HART configurada em multidrop tem a capacidade de conectar até 15 
instrumentos de campo, pelo mesmo par de fios, Neste tipo de aplicação, o sinal de 
corrente é fixo, ficando somente a comunicação digital limitada ao mestre-escravo. O 
valor da corrente de cada instrumento escravo é mantido no seu nível mínimo de 4mA 
e o valor da PV deve ser lido através de uma mensagem explícita. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9 – Rede HART - Ligação multidrop 
 
 A grande deficiência da configuração da rede em Multidrop é o tempo do ciclo 
de leitura de cada instrumento, que é cerca de 500ms podendo alcançar 1000ms. Para 
o caso de 15 equipamentos o tempo será de 7,5s a 15s, o que é muito lento para grande 
parte das aplicações. 
 
CABO E COMPRIMENTO MÁXIMO DA REDE 
 A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000m para um único para 
trançado blindado e 1500m para múltiplos cabos de para trançado com blindagem 
 
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comum. O fator mais limitante do comprimento do cabo é sua capacitância. Quanto 
maior a capacitância e o número de dispositivos, menor a distância máxima permitida 
 
Tabela 1 – Relação entre o tipo de cabo e a distância máxima 
 
Tabela 2 - Comprimento máximo do cabo em função da capacitância 
 
COMANDOS HART 
 A comunicação HART é baseada em comandos, como por exemplo, o mestre 
emite um comando e o escravo responde. Existem 3 tipos de comandos que 
permitem leitura e escrita de informações em instrumentos de campo. Os comandos 
universais e os práticos são definidos nas especificações do protocolo HART. Um 
terceiro tipo, os comandos específicos do instrumento, permite maior flexibilidade na 
manipulação de parâmetros ou de funções específicas num determinado tipo de 
instrumento. 
 
Tabela 3 - Comando universais e específicos: 
 
 
 
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MULTIPLEXADORES 
 Os multiplexadores funcionam como um mestre primário que realiza a leitura 
de todas as variáveis de processo e informação de status de todos os transmissores 
periodicamente, de forma independente do hospedeiro. O uso de multiplexadores 
permite o acesso a um maior número de instrumentos, além dos 15 possíveis em uma 
rede com o HART, possuem vários canais de comunicação, com suporte ao 
modos de acesso ponto-a-ponto, burst ou em rede (multidrop ou barramento). A 
comunicação entre o multiplexador e o sistema de supervisão SCADA é efetuada 
através de canais de comunicação serial RS-232, RS-485ou Ethernet. No sistema de 
supervisão temos acesso a todos os dados dos dispositivos e podemos efetuar os 
comandos disponíveis. Esta é uma solução aplicável a instalações novas, pois elimina 
possíveis CLPs ou módulos de entrada e saída analógicos existentes em 4~20mA. 
 
 
 
Figura 10 – Aplicação com uso de Multiplexadores 
 
 
 
 
 
 
 
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CONFIGURAÇÃO 
 Há duas maneiras de se configurar um instrumento HART: por meio de um 
terminal portátil universal de configuração ou utilizando um computador rodando uma 
aplicação de configuração de instrumento e um modem. 
 
Comunicadores Universais Portáteis 
 Comunicadores portáteis usam arquivos de descrição de dispositivo (DD – 
Device Description) e o comunicador pode configurar completamente qualquer 
instrumento HART que tenha uma DD instalada. Se o comunicador não possui a DD 
para um instrumento específico, é possível se comunicar e configurar o instrumento 
utilizando comandos HART universais e práticos. 
 Cada instrumento HART possui de 35 a 40 itens padrões registrados, que 
podem ser acessados por qualquer comunicador/ferramentade configuração aprovada. 
A comunicação com instrumento pode ser feita em qualquer loop de controle. Não 
precisa ser conectado fisicamente ao instrumento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 – Instalação típica multidrop com uso do configurador portátil HART 
 
Com uma simples e a interface dos programador Hart, permitem um gerenciamento de 
qualquer local da planta operação, alterar configuração offline e online, salvar as 
configurações alteradas, fácil de transportar, podendo estar com o usuário no dia-a-
dia, permitindo atuações a qualquer instante. 
 
 
 
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Figura 12 – interface de monitoração e status dos equipamentos HART 
 
EXEMPLO DE APLICAÇÃO 
 
 
 
Figura 12 – Três malhas de controle independentes 
 
 Com o uso de transmissores compatíveis com o protocolo HART que 
incorporam um controlador PID, é possível montar malhas de controle somente com 
um transmissor e a válvula de controle como na figura 12. Com um PC ou uma 
interface Serial-Hart podemos, via protocolo, mudar os parâmetros de várias malhas 
de controle, seus setpoints, ganhos, e ainda registrar os valores das grandezas medidas 
e dos sinais de controle enviados as válvulas. 
 
 
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 WirelessHART é um protocolo de comunicação de rede mesh sem fio utilizado 
em aplicações de automação de processos. Ela adiciona recursos sem fio ao protocolo 
HART, ao mesmo tempo em que mantém a compatibilidade com dispositivos, 
comandos e ferramentas HART existentes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 13 – WirelessHART uma comunicação de rede mesh. 
 
 Na rede mesh, todo instrumento pode servir como roteador de mensagens de 
outros instrumentos. Em outras palavras, o instrumento não precisa se comunicar 
diretamente com o gateway, necessitando somente encaminhar sua mensagem ao 
instrumento mais próximo. Isto amplia o alcance da rede e proporciona rotas de 
comunicação redundantes para aumentar a confiabilidade da rede. 
 
 
 
 
 
 
 
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CONCLUSÃO 
 Sobre o estudo abordado, foi possível observar que HART permite a modulação 
de um sinal digital sobre o sinal analógico de 4~20mA, padrão nessa rede, utilizando o 
mesmo meio físico “fio”, ou seja vemos que a transmissão de informações digitais 
sobre os sinal analógico, utiliza a codificação padrão Bell 202 FSK, isso resulta em 
nenhuma interferência entre os sinais. Outro ponto importante é o fato da Hart ser uma 
rede fieldbus, isso trás uma compatibilidade grande com a rede de instrumentos 
analógicos e o sistema 4~20mA. Outro aspecto importante da rede fieldbus é a 
comunicação bidirecional que possibilita o acesso a dados entre instrumentos de 
campo inteligentes e sistemas host centralizado, de qualquer local da planta de 
processo, através de dispositivos portátil como laptop e smartphones, é possível ter 
um gerenciamento ou controle de processos da fábrica de uma forma mais rápida, 
resultando é economia de tempo. Na prática, a comunicação remota desses 
dispositivos, são utilizadas para calibração, configuração e diagnóstico de 
transmissores de variáveis de processo, como pressão, vazão, temperatura, nível e etc. 
Vale ressaltar que e os sinais de controle são transmitidos nas freqüências conhecidas 
1200KHz~2400KHz e que o máximo de dispositivos acoplados em uma topologia 
multidrop, utilizando a rede Hart é de 15 dispositivos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICAS: 
 
PAES, William da Silva REDES INDUSTRIAIS, V1.3.1.2013 Rio de Janeiro - RJ 
 
HART® Communication Foundation ( http://www.hartcomm.org/index.html ) 
 
BEZERRIL, Eric; Redes industriais: protocolo de Comunicação Hart, Trabalho de 
conclusão de curso, 2009 Natal-RN 
( http://www.engcomp.ufrn.br/publicacoes/ECC-2009-1-3.pdf ) 
 
SMAR Equipamentos Industriais ( http://www.smar.com/brasil/hart.asp ) 
 
Wikipédia ( http://en.wikipedia.org/wiki/Bell_202_modem ) 
 
Cassiolato, César; HPC401 - Configurador Portátil HART, Artigos Técnicos 
SMAR, 2010 ( http://www.smar.com/newsletter/marketing/index65.html ) 
	Capa do estudo de caso - HART _redes industriais_
	Estudo de caso - HART _redes industriais_