UNIDADE 4.1 HART

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Redes de Campo
HART
Prof. Ralf Moura, MSc
PMP, PRINCE2, COBIT, CTAL-TM, IS20F, ISFS, ITIL, MOF, CTFL, CPRE-FL, CCF, CI-SCS, MCP
• O protocolo Hart foi introduzido pela Fisher Rosemount em 1980. Hart é um 
acrônimo de “Highway Addressable Remote Transducer”. 
• Em 1990 o protocolo foi aberto à comunidade e um grupo de usuários foi fundado.
• A grande vantagem oferecida por este protocolo é possibilitar o uso de instrumentos 
inteligentes em cima dos cabos 4-20 mA tradicionais. Como a velocidade é baixa, os 
cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos. 
• Os dispositivos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados 
smart.
Hart
• Acesso remoto a todos os parâmetros e diagnósticos de instrumentos.
• Suporte a instrumentos multi-variáveis.
• Estado do dispositivo ON-LINE.
• Compatível com fiação analógica existente para 4-20mA.
• Padrão aberto.
• Na prática, a comunicação HART é mais utilizada para calibração, configuração e diagnóstico de 
transmissores de variáveis de processo, como pressão, vazão, temperatura, nível e etc.
Hart - Características
• Foi desenvolvido para configuração remota e diagnóstico. Para que eu 
pudesse via um computador trabalhar no loop e configurar/parametrizar 
um instrumento.
• O protocolo é Mestre-Escravo em 98% das aplicações. O direito de acesso 
ao meio consiste de um token que passa entre os dispositivos conectando-
os ao canal.
• Topologia ponto-a-ponto: simultâneo analógico e digital e ponto-a-ponto 
somente digital.
• Cadeia Multidrop – somente digital
Hart - Características
Estrutura do Protocolo
A camada física (1) 
especifica como os 
dispositivos serão conectados 
mecanicamente e 
eletricamente (tipo de cabo, 
distâncias, aterramento) e 
define de que forma o sinal 
digital será codificado.
A camada de enlace (2)
divide a informação a ser 
transmitida em pacotes, 
adiciona o bits referentes a 
detecção de erros e controla o 
acesso ao meio.
A camada de aplicação (7)
define os comandos, 
respostas, tipos de dados e 
decodifica os relatórios de 
status do dispositivo.
Estrutura do Protocolo
• O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency Shift Key) e é sobreposto ao sinal analógico de 4..20 mA.
• Para transmitir 1 é utilizado um sinal de 1 mA pico a pico na frequência de 1200 Hz e para transmitir 
(zero) 0 a frequência de 2400 Hz é utilizada. 
• A codificação derivada do padrão Bell 202 FSK.
• A comunicação é bidirecional.
• A modulação é feita com sinais senoidais com 0,5mA de pico de corrente. 
• Como o valor médio de uma onda senoidal é igual a zero, a informação digital não altera o valor da 
corrente analógica.
Hart – Camada Física
Hart - Sinal
Hart - Sinal
• A topologia pode ser ponto a ponto ou multi drop.
• O protocolo permite o uso de até dois mestres (Token Pass). 
• O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador.
• O mestre secundário é geralmente representado por terminais hand-held de configuração e 
calibração.
Hart - Topologia
• Os mestres possuem os circuitos que provocam as variações de 
correntes na linha (modulador). 
• Os escravos possuem circuitos que transformam estas variações de 
corrente em tensão e decodificam o sinal recebido (demodulador). 
• Durante uma resposta os papéis são invertidos.
Mestre-Escravo
Hart - Arquitetura
Arquitetura convencional ponto a ponto
Modo Multidrop - HART
• 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 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.
• Cada mensagem pode comunicar o valor de até quatro variáveis. Cada 
dispositivo HART pode ter até 256 variáveis.
Hart – Modos de comunicação
• Modo “Broadcast” ou “Burst”
• Envio de mensagens periódicas
• Elemento escravo envia repetidamente (3 a 4 vezes por 
segundo) um valor especificado.
• Há intervalos para que o mestre envie comandos ou mude o 
modo de acesso.
• Usado somente com redes com um escravo.
Hart – Modos de comunicação
• O protocolo HART pode utilizar diversos modos de comunicação.
• O modo básico é o mecanismo mestre-escravo. Cada ciclo de 
pedido e recebimento de valor dura cerca de 500 ms, o que implica 
na leitura de dois valores por segundo.
Hart - Modos de Comunicação
• Quando usando uma topologia do tipo multidrop, a rede HART suporta até 15 instrumentos de 
campo. Apenas o modo mestre escravo pode ser utilizado. 
Hart – Modos de comunicação
• A grande deficiência da topologia multidrop é que o tempo de ciclo para leitura de cada device é de 
cerca de meio segundo podendo alcançar um segundo.
• Neste caso para 15 dispositivos o tempo será de 7,5 a 15 segundos, o que é muito lento para grande 
parte das aplicações.
Hart – Modos de comunicação
• Corrente fixa em 4mA.
• Até 15 dispositivos com TAGs diferentes.
• Até 3.000 metros de comprimento.
• (1 par) Tempo de varredura de 0,5 seg por dispositivo.
• O protocolo HART permite montar uma rede de comunicação, totalmente digital, 
com até 15 dispositivos escravos acessados por até dois mestres, em um mesmo 
par de fios, com até 3.000 metros de comprimento a uma taxa de transmissão de 
1200 bps.
Hart – Características
• A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000 m com cabo com um par trançado blindado e de 
1500 m com cabo múltiplo com blindagem simples.
Hart - Cabos
• Os comandos e respostas enviadas pela rede são divididas em pacotes e cada pacote 
divididos em bytes. Cada byte é transmitido em 11 bits seguindo o padrão 11-UART usando o 
código ASCII.
• O Preâmbulo consiste de 5 a 20 caracteres hexadecimais 0xFF usados para sincronização 
entre os modems transmissor e receptor.
• O byte inicial indica se a mensagem é um comando ou resposta e o tipo de endereçamento 
usado (curto ou longo).
Estrutura do telegrama
• O endereçamento pode ser longo ou curto usando 1 ou 5 bytes.
• O byte de comando pode assumir valores de 0x00 a 0xFD representando um dos comandos 
suportados pelo equipamento.
• O contador de bytes (0 a 25) informa o tamanho da mensagem propriamente dita sem o 
checksum(paridade), permitindo a identificação do final da mensagem e inicio do checksum.
• Os dois bytes de status são enviados a cada resposta e indicam o resultado do comando recebido 
ou erro de comunicação no primeiro byte e a saúde do escravo naquele instante no segundo byte.
• Nem todos os comandos e respostas utilizam o campo de dados. Os dados podem estar 
codificados usando o código ASCII, Números Inteiros ou Flutuantes, dependendo do tipo de 
comando.
• O byte de checksum, chamado de paridade, é formado pela operação lógica XOR entre todos os 
bytes da mensagem a partir do caractere de START.
Estrutura do telegrama
• Padrão 11-UART (Transmissor Receptor Universal Assíncrono)
• 1 Start Bit, 8 Bits de dados
• 1 Bit de paridade ímpar e 1 Stop bit
• Endereçamento Longo – 40 bits para Universal ID
• Código de identificação do fabricante – 6 bits
• Código do tipo de dispositivo – 8 bits
• Código identificador do dispositivo – 24 bits
• Endereçamento Curto – 8 bits
• Endereços de 1 a 15 – 4 bits
Transmissão de bytes
• Todo dispositivo HART deve aceitar um repertório mínimo de comandos 
denominados comandos universais ou common practice commands.
• Para cada dispositivo existirão comandos particulares denominados devicespecific
commands. Os comandos universais asseguram a interoperabilidade entre os 
dispositivos de campo.
Hart - Comandos
Exemplo de aplicação
• Fortes:
• Posso perder o HART (frequência) e o meu sistema 
de controle continua a funcionar (4-20mA)
• Distância no ponto a ponto – dependendo somente 
da Lei de Ohm. Saio com 24 V e o meu instrumento 
funciona com 18 V (queda de até 6 V).
• Custo do instrumento mais barato que o fieldbus. 
Dependendo do porte do projeto.
• Posso escolher: ponto a ponto ou rede.
• Simples é ponto-a-ponto (4 a 20 mA) para projeto e 
manutenção.
• Com 4 a 20 eu continuo operando e com HART 
mantenho a configuração/diagnose.
• Exige pessoal com menor capacitação (multiteste)
Pontos Fortes e Fracos do HART
• Fracos:
• Velocidade: para monitoração de controle.
• Custo: infraestrutura para 1 cabo para cada 
instrumento. Ex.: 30.000 instrumentos exigem 30.000 
pares. No FieldBus seriam 3000 pares.
• Em geral não é usado com rede. Velocidade baixa e 
custo alto.
• Para sair de projetos HART e ir para protocolos 
Digitais a equipe deve encarar desafios.
• HART é mais voltado para plantas de processo e 
pessoas mais conservadoras.