Aula 10 - Redes para Automação Industrial - Parte 5

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UFRN – CT – DCA
Prof. Anderson Cavalcanti
� Protocolo HART
◦ Wired HART;
◦ Wireless HART.
� HART (Highway Adressable Remote
Transducer) é um protocolo de
comunicação de campo tipo mestre/escravo
desenvolvido pela Fisher Rosemount na
década de 80 para facilitar a comunicaçãodécada de 80 para facilitar a comunicação
com instrumentos de campo inteligentes;
� É mundialmente conhecido como um padrão
da indústria para comunicação de
instrumentos de campo inteligentes 4-20mA,
microprocessados.
� O HART permite a sobreposição do sinal de 
comunicação digital aos sinais analógicos 4-
20mA na mesma fiação, sem interferência;
� Por exemplo, a variável primária e a
informação do sinal de controle podem serinformação do sinal de controle podem ser
transmitidas ao mesmo tempo em que as
medições adicionais, calibração, configuração
do instrumento e outras informações
necessárias na mesma fiação.
� Baseado no RM (OSI):
� CamadaCamadaCamadaCamada FísicaFísicaFísicaFísica especificaespecificaespecificaespecifica comocomocomocomo osososos dispositivosdispositivosdispositivosdispositivos
serãoserãoserãoserão conectadosconectadosconectadosconectados mecanicamentemecanicamentemecanicamentemecanicamente e eletricamente
(tipo de cabo, distâncias, aterramento) e define
de que forma o sinal digital será codificado.
� A CamadaCamadaCamadaCamada dededede EnlaceEnlaceEnlaceEnlace dividedividedividedivide aaaa informaçãoinformaçãoinformaçãoinformação aaaa serserserserA CamadaCamadaCamadaCamada dededede EnlaceEnlaceEnlaceEnlace dividedividedividedivide aaaa informaçãoinformaçãoinformaçãoinformação aaaa serserserser
transmitidatransmitidatransmitidatransmitida emememem pacotes,pacotes,pacotes,pacotes, adicionaadicionaadicionaadiciona osososos bits
referentes à detecção de erros e controla o
acesso ao meio.
� A CamadaCamadaCamadaCamada dededede AplicaçãoAplicaçãoAplicaçãoAplicação definedefinedefinedefine osososos comandos,comandos,comandos,comandos,
respostas,respostas,respostas,respostas, tipostipostipostipos dededede dadosdadosdadosdados eeee decodifica os
relatórios de status do instrumento.
� O protocolo HART faz uso do padrão Bell 202
de chaveamento por deslocamento de
freqüência (FSK) para sobrepor os sinais de
comunicação digital ao de 4-20mA;
� Como o sinal digital FSK é simétrico em� Como o sinal digital FSK é simétrico em
relação ao zero, não existe nível DC
associado e, portanto, não há interferência no
sinal de 4-20mA. A lógica “1” é associada a
uma freqüência de 1200Hz e a lógica “0” é
associada a uma freqüência de 2200Hz,
� Mestre/EscravoMestre/EscravoMestre/EscravoMestre/Escravo:::: Normalmente, um
dispositivo HART “fala” enquanto outros
“escutam”.
� Tipicamente, um mestre envia um comando e
então espera uma resposta. O comando e suaentão espera uma resposta. O comando e sua
a resposta associada são chamados de
transação.
� Existem períodos de silêncio entre as
transações. As duas “rajadas” durante uma
transação são ilustradas na figura.
� Podem existir um ou dois mestres (chamados 
de mestres primário e secundário) por rede;
� Do ponto de vista do protocolo, pode existir
um número quase ilimitado de escravos (para
limitar o ruído numa dada rede, o número delimitar o ruído numa dada rede, o número de
escravos é limitado a 15.
� Se a rede é parte de uma super-rede
envolvendo repetidores, então mais escravos
são possíveis, pois o repetidor reconstitui o
sinal digital, eliminando o ruído.
� Formato:Formato:Formato:Formato:
� PreâmbuloPreâmbuloPreâmbuloPreâmbulo ((((5555 aaaa 20202020 bytesbytesbytesbytes):::: possui entre 5 e
20 bytes em hexa FF (todos 1’s) e auxilia o20 bytes em hexa FF (todos 1’s) e auxilia o
receptor a sincronizar o stream de
caracteres;
� CaractereCaractereCaractereCaractere dededede inícioinícioinícioinício ((((1111 byte)byte)byte)byte):::: 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.
� EndereçamentoEndereçamentoEndereçamentoEndereçamento ((((1111 ouououou 5555 bytes)bytes)bytes)bytes):::: 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 oendereço 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.
� ComandoComandoComandoComando ((((1111 byte)byte)byte)byte):::: 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 instrumento126; comandos específicos do instrumento
estão na fixa de 128 a 253;
� ContadorContadorContadorContador dededede bytebytebytebyte ((((1111 byte)byte)byte)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”.
� StatusStatusStatusStatus ((((2222 bytes,bytes,bytes,bytes, escravo)escravo)escravo)escravo):::: também conhecido
como “código de resposta”. Tem dois bytes
presentes somente na mensagem de resposta
de um escravo:
◦ O escravo recebeu a mensagem com erro (isso
pode também resultar em nenhuma resposta);pode também resultar em nenhuma resposta);
◦ O escravo não implementa tal comando;
◦ O escravo está ocupado;
◦ O escravo foi designado a fazer algo fora da sua
capacidade;
◦ O escravo está protegido contra gravação e foi
ordenado para mudar um parâmetro protegido.
� ChecksumChecksumChecksumChecksum ((((1111 byte)byte)byte)byte):::: 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 nabyte, ele é usado para detectar erros na
comunicação.
� Usualmente o mestre primário é usualmente
um CLP ou computador. O mestre secundário
usualmente é um hand-held para fins de
configuração e calibração dos escravos;
� Os mestres secundários, podem ser� Os mestres secundários, podem ser
conectados normalmente em qualquer ponto
da rede e se comunicar com os instrumentos
de campo sem provocar quaisquer distúrbios
na comunicação com o mestre primário.
� Ponto a Ponto
� Mestre/escravo digital, simultânea com a com
o sinal analógico de 4-20mA: permite que a
informação digital do instrumento escravo
seja atualizada duas vezes por segundo no
mestre (cada ciclo de pedido e recebimento
de valor dura cerca de 500ms)
� Ponto a Ponto
◦ EmEmEmEm modomodomodomodo burstburstburstburst:::: A taxa de transmissão nesse caso
se eleva para 3 ou 4 ciclos por segundo.
� Multidrop 500 ms a 
1000ms para 
ler cada 
instrumento.
� 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.
� ComandosComandosComandosComandos UniversaisUniversaisUniversaisUniversais:::: todos os instrumentos
que utilizam o protocolo HART devem
reconhecer e suportar comandos universais.
Ex: leitura da PV e unidades;
� ComandosComandosComandosComandos PráticosPráticosPráticosPráticos (definidos(definidos(definidos(definidos emememem norma)norma)norma)norma):� ComandosComandosComandosComandos PráticosPráticosPráticosPráticos (definidos(definidos(definidos(definidos emememem norma)norma)norma)norma):
permitem acessar funções que são
implementadas em alguns instrumentos, mas
não necessariamente em todos. Ex;: auto-
teste;
� ComandosComandosComandosComandos EspecíficosEspecíficosEspecíficosEspecíficos::::acesso a
características exclusivas do instrumento e
geralmente são usados para configurar os
parâmetros. Ex.: escrever um novo “set-
point” de um algoritmo PID disponível nopoint” de um algoritmo PID disponível no
instrumento.
� Funcionam como um mestre primário que
realiza a leitura de todas as variáveis de
processo e informações dos estados de todos
os transmissores periodicamente;
� Podem também enviar comandos e� Podem também enviar comandos e
estabelecer uma “conversação” diretamente
com um dispositivo de campo.
� O Wireless HART passou a fazer parte do
protocolo HART em setembro de 2007, sendo
o primeiro padrão de comunicação sem fio
aberto projetado especificamente para
aplicações das indústrias de processos;aplicações das indústrias de processos;
� O protocolo HART oferece suporte a redes 
Wireless HART nativas e adaptadas, ou seja, 
tanto dispositivos de campo totalmente sem 
fio, quanto dispositivos tradicionais ligados a 
adaptadores sem fio.
� Dispositivos Wireless HART se comunicam
utilizando Acesso Múltiplo por Divisão de
Tempo (TDMA – TimeTimeTimeTime DivisionDivisionDivisionDivision MultipleMultipleMultipleMultiple
Access)Access)Access)Access)....
� CadaCadaCadaCada dispositivodispositivodispositivodispositivo Wireless HART é� CadaCadaCadaCada dispositivodispositivodispositivodispositivo Wireless HART é
sincronizado precisamente com o dispositivo
vizinho;
� Toda comunicação dispositivo-a-dispositivo
ocorre numa janela de tempo pré-agendada.
� WirelessHART é uma rede auto-organizável e
auto-tratável, significa dizer que cada
dispositivo tem a capacidade de determinar
quem são seus vizinhos, medir a potência do
sinal RF, sicronizar-se e se informar sobre o
salto de freqüência e estabelecer caminhos esalto de freqüência e estabelecer caminhos e
links com dispositivos vizinhos.
� Cada dispositivo tem a habilidade de rotear o
tráfego entre seus vizinhos a partir da
conectividade RF e/ou requisitos de
desempenho de rede.
� Wireless HART usa a parte não licenciada da
banda de rádio 2.4 GHz. Como tal, pode estar
sujeito a interferências de várias outras
fontes, como por exemplo, outras redes ou
rádios de 2 vias. Para resolver esse problema,rádios de 2 vias. Para resolver esse problema,
� Wireless HART “salta” através de 15 canais de
freqüência enviando mensagens numa
freqüência pseudo-randômica.
� Wireless HART utiliza rádios IEEE 802.15.4
DSSS (Direct Sequency Spread Spectrum) que
possuem boa imunidade a ruídos;;;;
� Encriptação garante que a informação
transmitida na mensagem não seja lida por
outros dispositivos;
� Autenticação assegura que o emissor é
realmente o emissor;realmente o emissor;
� Integridade assegura que a mensagem foi
entregue intacta.
� WirelessHART implementa a topologia “Malha
Completa” onde cada dispositivo mantém
múltiplos caminhos de comunicação
redundantes;
� Redundância no roteamento é o ambiente de� Redundância no roteamento é o ambiente de
RF mais utilizado no mundo.
� Além da topologia malha completa (mesh), 
algumas aplicações podem usar:
◦ Rede estrela: tem apenas um roteador que se
comunica com vários dispositivos finais
(pequenas aplicações);(pequenas aplicações);
◦ Malha de rede estrela: é a combinação da rede 
estrela com a malha de rede.
� O gerenciador de rede é uma aplicação que
gerencia a malha de rede e os dispositivos
que a compõem. O gerenciador de rede
executa as seguintes funções:
◦ Organiza a malha de rede;◦ Organiza a malha de rede;
◦ Permite que novos dispositivos sejam conectados à
rede;
◦ Ajusta a programação da comunicação dos
dispositivos;
◦ Estabelece caminhos de dados redundantes para
todas as comunicações;
◦ Monitora a rede.
� Um atributo chave de uma rede Wireless
HART é a habilidade de se auto-organizar;
� Existem três componentes de formação de
rede:
◦ propaganda;◦ propaganda;
◦ Junção;
◦ e programação de comunicação.
� PropagandaPropagandaPropagandaPropaganda –––– Um dispositivo que já faz parte
da rede pode enviar pacotes anunciando sua
presença na rede. Os pacotes de propaganda
incluem informações de sincronização de
tempo e uma ID de rede única. Dispositivostempo e uma ID de rede única. Dispositivos
que tentam se juntar à rede “escutam” esses
pacotes e tentam combinar a ID de rede
anunciada com suas próprias; uma vez que a
propaganda é “ouvida”, o novo dispositivo
pode tentar se juntar à rede.
� JunçãoJunçãoJunçãoJunção –––– Um dispositivo novo se junta à rede
emitindo um pacote de pedido da junção com
um nó de anúncio ao Gerenciador de Rede. Se
autenticado, o Gerenciador de Rede
responderá com um pacote de ativação,responderá com um pacote de ativação,
aceitando o dispositivo novo na rede e
ajustando os links entre o dispositivo novo e
os outros nós existentes.
� ProgramaçãoProgramaçãoProgramaçãoProgramação –––– O Gerenciador de Rede solicita
informações do dispositivo novo e como ele
exige que os dados sejam enviados através
da rede. O Gerenciador de Rede enviará então
uma programação ao dispositivo novo e auma programação ao dispositivo novo e a
todos os roteadores intermediários com a
informação da nova programação.
� HART® Communication Foundation -
http://www.hartcomm.org;
� Fonseca, E.B., Redes Industriais: protocolo de
comunicação Hart, Trabalho de Conclusão de
Curso, Engenharia de Computação, UFRN,Curso, Engenharia de Computação, UFRN,
2009.