Guia definitivo do Protocolo HART

O protocolo HART

Se você estuda automação, com certeza já ouviu falar e provavelmente utilizou a comunicação HART, que é o protocolo mais difundido na indústria. Talvez, algumas pessoas que vieram de outras áreas, não estejam tão familiarizadas assim.

Com base em visitas que eu fiz anteriormente em alguns clientes, eu percebi que até mesmo profissionais de automação não dominam tão bem o assunto. Portanto, o objetivo desse artigo é mergulhar no HART. Rever a sua história e especificações para descobrir porque esse protocolo ainda prevalece atualmente.

O que é o protocolo HART?

Primeiro, vamos explicar o acrônimo. HART significa Highway Addressable Remote Transducer. Este protocolo aberto híbrido usa uma mistura de sinais analógicos e digitais para se comunicar.

A comunicação HART ocorre em loops de corrente analógicos. Isso significa que o mesmo par de fios transporta um sinal analógico, bem como o protocolo HART. A maioria dos sistemas usa o sinal analógico para controlar processos e o HART para configurar dispositivos de campo.

Uma empresa chamada Rosemount (Hoje, parte da Emerson) desenvolveu o HART como um protocolo proprietário. Em 1986, tornou-se um protocolo aberto e hoje permanece mundialmente popular para configuração e controle.

Como funciona a comunicação HART?

Este protocolo foi desenvolvido a partir do Frequency-shift Keying (FSK) Bell 202, que impõe o sinal digital sobre o sinal analógico.

Na maioria dos casos, o sinal analógico envia a variável do processo primário e o protocolo HART envia dados do dispositivo de campo, como status, diagnósticos e configurações.

O sinal HART muda a freqüência. Ele usa 1200 Hz para representar um binário e 2200 Hz para zero binário. Este gráfico mostra isso com mais detalhes.

Agora vamos falar sobre como o HART pode ser implementado.

Comunicação ponto-a-ponto

Comum em muitas indústrias, o ponto-a-ponto tem o dispositivo de campo ou elemento final de controle conectado ao sistema e usa sinal analógico para transmitir dados ou comandos ao processo.

Nesse cenário, você usará o protocolo HART para configurar esses dispositivos ou verificar seus diagnósticos. Para fazer isso, você pode usar um comunicador de campo ou um multiplexador que coletará os dados e enviará a um sistema de gerenciamento de ativos.

Você também irá configurar seus dispositivos com o polling address em zero, para permitir a modulação analógica (No HART 7, você pode ter endereço diferente de zero e continuar com a modulação analógica).

O protocolo HART funciona no conceito mestre-escravo, ou seja, os dispositivos de campo só enviam dados quando um mestre pergunta. No entanto, a rede permite mestres primários e secundários.

Quando você tem um sistema de gerenciamento de ativos acessando instrumentos de campo remotamente, o computador de campo atua como um mestre secundário.

Por último, você pode utilizar o burst mode em uma instalação ponto-a-ponto. Aqui um escravo envia continuamente mensagens HART padrão. Não se preocupe! Nós vamos falar mais sobre isso em outras oportunidades.

Protocolo HART utilizando a comunicação multidrop

Este tipo de instalação não costuma ser comum. Mas, podemos encontrar algumas aplicações interessantes ao usar wirelessHART para coletar dados de vários instrumentos em um único adaptador wireless.

Outra aplicação interessante é o Gateways HART, no qual os instrumentos são conectados da mesma forma.

Aqui os dispositivos se conectam em paralelo a partir de um único tronco. Todos eles usam polling address diferentes de zero. Esta configuração cria somente comunicação digital com o sinal analógico fixado normalmente em quatro miliampéres.
Aqui estão os polling address, dependendo da versão dos seus instrumentos HART:

• Versões 3, 4 e 5: 1 a 15
• Versão 6: 1 a 63
• Versão 7: 0 a 63

Gerenciamento inteligente de dispositivos

Os instrumentos HART são dispositivos inteligentes. Isso significa que você pode obter diversas informações sobre seus sensores de campo ao usar o protocolo HART. Se você tem uma instalação na qual só é possível acessar pelo sinal analógico, não receberá todos os dados que eles podem enviar.

Para ter uma experiência melhor, o ideal é que você tenha acesso a todas informações remotamente. Isto pode ser feito de diversas formas: multiplexadores, Gateway HART e rede WirelessHART.

Seu sistema HART oferece gerenciamento inteligente de dispositivos. Com isso, a rede HART pode facilitar a configuração dos instrumentos e análise de diagnósticos ao utilizar ferramentas de configuração remota.

WirelessHART

O WirelessHART foi a primeira comunicação sem fio padrão dedicada a dispositivos de campo.
A comunicação da WirelessHART evoluiu ao longo dos anos. Com o crescimento da digitalização, o wireless tornou-se uma solução popular, o que tornou o wirelessHART um passo natural no progresso da transmissão de dados.

Você pode comprar adaptadores para transformar instrumentos de campo HART em dispositivos wirelessHART. Você também pode encontrar dispositivos sem fio com antenas integradas.

Essas soluções oferecem vantagens e desvantagens, mas teremos que deixar esse tópico para o artigo wirelessHART.

FOUNDATION Fieldbus VS HART

As instalações multidrop ainda são raras no campo. Embora possamos ter até 15 dispositivos instalados em paralelo, com multidrop não temos a variação de 4-20mA ou a atual é fixada em 4 mA. Nós só temos informações HART.

Podemos ter dois mestres na configuração HART. O sistema de controle como o primeiro e – na maioria dos casos – um handheld como o segundo . Cada dispositivo terá um endereço HART diferente de zero.

Encontramos algumas aplicações nas quais o HART é utilizado de forma natural. A primeira usa um cartão HART no controlador lógico programável (CLP) ou no sistema de controle distribuído (DCS).

Precisamos ter em mente que isso não significa que o HART faz o controle do processo de loop. Normalmente, ele é utilizado apenas para o gerenciamento inteligente de dispositivos, em um sistema de gerenciamento de ativos da fábrica.

A segunda instalação possui um multiplexador entre os dispositivos de campo e o PLC. O multiplexado captura todos os dados HART e envia ao sistema de gestão de ativos. Para este tipo de aplicação existem diversos multiplexadores instalados.

Uma última opção é definir um HART sobre outro protocolo digital. Podemos ter HART sobre PROFIBUS ou HART sobre EtherNet/IP. Desta forma, temos dispositivos de campo HART que enviam dados para o sistema digitalmente.

Podemos economizar dinheiro com essa configuração porque o protocolo precisa de menos cabos do que uma instalação de loop atual tradicional.

FOUNDATION Fieldbus

O FOUNDATION Fieldbus (FF) é o protocolo de comunicação digital mais comum em grandes empresas de petróleo e gás em todo o mundo. Ele difere do HART na medida em que fornece acesso digital aos instrumentos e as empresas. Por esse motivo, a gestão de ativos é facilitada.

O FOUNDATION Fieldbus oferece muitas vantagens em relação a uma instalação tradicional.  Através dele é possível realizar o mesmo gerenciamento de dispositivos inteligentes com controle digital de malha fechada.

Além disso, o FOUNDATION Fieldbus é composto pelo High Speed EtherNet (HSE) e H1. Na versão HSE, você tem 10 megabits por segundo para integrar controladores, subsistemas, servidores e estações de trabalho de alta velocidade.

O link H1 tem 31,25 kilobits por segundo para conectar dispositivos de campo como sensores, atuadores e I/O. Ao contrário de 4-20 mA e HART, o FOUNDATION Fieldbus permite múltiplas variáveis ​​de cada dispositivo.

O H1 também permite que muitos dispositivos se conectem a um único par de fios para comunicação e alimentação, reduzindo o custo da instalação.

Versões do protocolo HART

Cada versão do protocolo HART recebeu melhorias significativas. Por exemplo, o HART 7 trouxe redes wireless otimizadas e conexões unificadas com e sem fio.

Ele também adicionou benefícios como relatórios de exceção e amostragem sincronizada. Dê uma olhada no gráfico abaixo para uma comparação dos HARTs 5, 6 e 7.

Atualizações no HART 7

Geralmente, quando substituímos um dispositivo que pode ter uma versão mais recente do protocolo HART, devemos nos lembrar de atualizar a Biblioteca de Device Description (DD). Isso nos permitirá usar todos os novos recursos da nova versão do HART.

Se tivermos vários instrumentos, isso pode se tornar um problema. As páginas dos fornecedores estão cheias de versões de firmware e DD para download. Porém, elas não são muito claras.

O que é o HART-IP?

O HART-IP é uma das várias opções para conectar dispositivos de campo a controladores usando um meio TCP / IP. Mas, deixe-me explicar mais do que isso.

Cenário da Ethernet Industrial

Em 2013, surgiu um estudo interessante da IMS Research. Ele afirmava que na indústria de processos, o número de Ethernets industriais poderia quase dobrar de 2011 a 2016. Eles estavam certos? Acho que sim.

Eu não tenho esses números, mas obviamente temos mais projetos usando Ethernet industrial do que antes. Por outro lado, ainda temos desafios a vencer para tornar esse número mais relevante.

Hoje, você encontrará sistemas de controle e gateways conectados usando Ethernet industrial ao invés de uma comunicação serial. No entanto, alguns dispositivos de campo ainda não chegaram a esse ponto, geralmente, devido a problemas de energia sobre Ethernet para dispositivos como transmissores de pressão ou de nível.

Hoje temos instrumentos analíticos e de vazão utilizando Ethernet industrial. Mas, normalmente eles exigem fontes de alimentação externas.

Ainda assim, os protocolos Ethernet industriais oferecem vantagens na velocidade de comunicação. Eles proporcionam fácil integração, correspondência de protocolo e redução de estrutura em comparação a redes padrão.

HART-IP

Lançado em 2012, o HART-IP foi desenvolvido para simplificar a integração dos dispositivos de campo em sistemas de controle. Sem a necessidade do mapeamento variável, configurações complicadas ou outras complicações típicas.

Foi desenvolvido para funcionar através de Ethernet padrão, o IEEE 802.3, através de cabos de cobre ou fibra. Além disso, também pode trabalhar com Wi-Fi, baseado no padrão IEEE 802.11.

Em geral, o HART-IP pode funcionar em uma rede Ethernet padrão de roteadores, comutadores de LAN, cabos e pontos de acesso. Ele também pode coexistir com outros sistemas e protocolos de TI na mesma rede, o que oferece maior flexibilidade.

Você também pode ter diferentes topologias, como malha ou anel. Sua velocidade configurável permite suportar 10 megabits por segundo, 100 Mbit/seg e um gigabit por segundo.

Hoje, você pode encontrar gateways usando o Power-over-Ethernet (PoE) com o HART-IP para economizar dinheiro em estrutura, com fonte de alimentação e comunicação no mesmo cabo.

Multiplexadores HART e rede WirelessHART

Temos várias maneiras de usar o HART-IP em aplicações industriais. Os multiplexadores WirelessHART e HART são bons exemplos.

Uma rede sem fio HART pode suportar dispositivos com antenas internas para comunicação sem fio. Você também pode usar um adaptador para tornar dispositivos padrão sem fio e coletar dados sem fio.

Os gateways WirelessHART podem suportar muitos protocolos para fornecer integração contínua, e o HART-IP é um deles. Além disso, você pode usar o HART OPC Server para coletar dados para o software de gerenciamento de ativos. O gerenciamento inteligente de dispositivos também suporta o HART-IP.

Os multiplexadores HART são uma maneira clássica de coletar dados para monitoramento ou configuração. Esses multiplexadores suportam o HART-IP em um processo de integração suave e contínuo.

Perguntas & Respostas

Temos instrumentos HART, mas só recebemos o sinal analógico do campo. Como é possível obter os diagnósticos desses instrumentos? Com cartões novos no CLP, um multiplexador ou talvez um adaptador WirelessHART sem fio?

Legal! Parece que você começou a explorar boas opções. Existem muitas maneiras de renovar seu sistema. Portanto, será necessário considerar o custo, a estrutura e o serviço envolvidos nas opções.

Primeiro de tudo, você precisa saber o custo por ponto para cada solução. Eu vou te dar um exemplo. Um novo cartão HART para seu controlador lógico programável custa US$ 8.000,00.Como o cartão fornece 18 entradas HART, o custo por ponto será o custo do cartão dividido pelo número de entradas. Nesse caso, você pagará US$ 444,44 por ponto, mais o tempo para instalar o ponto e a estrutura!

Se você puder atualizar o cartão – dependendo do sistema – talvez não seja necessário pagar por uma nova estrutura. Às vezes, você precisa mudar todo o sistema, pois cartões novos não podem ser adaptados.

O multiplexador requer um novo painel para coletar os dados antes de entrar no sistema de controle. Assim, você terá o custo do painel de rearranjo, serviço para montar os componentes dentro do painel, instalação e start-up!

Por outro lado, o adaptador WirelessHART não requer estruturas complexas. Ele pode ser instalado diretamente no transmissor. Dependendo do modelo, talvez seja necessário desligar o transmissor durante a instalação do adaptador.

Todas essas opções terão necessidades diferentes de serviço. O CLP e o multiplexador precisarão de painéis novos, instalação, inicialização e comissionamento. As soluções sem fio precisam de instalação, comissionamento e inicialização. No geral, você gastará menos com o serviço sem fio.

Você deve fazer o mesmo detalhamento de todas as suas opções e analisar os prós e contras de cada uma. Às vezes, por querer gastar menos, perderá diversos benefícios por escolher uma solução mais em conta.

Conclusão

Bom, isto é tudo. Fizemos uma abordagem bem completa sobre o protocolo HART. Com certeza, nós podemos aprofundar os detalhes nos próximos conteúdos. Porém, depois de ler este artigo, eu tenho certeza que você terá uma noção melhor do protocolo.

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Forte Abraço!