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Atualmente muito se fala em termos de redes Fieldbus, mas tem-se muitas aplicações rodando em HART (Highway Addressable Remote Transducer), tendo vantagens com os equipamentos inteligentes e utilizando-se da comunicação digital de forma flexível sob o sinal 4-20 mA para a parametrização e monitoração das informações

Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil calibração, ajustes de range e damping de equipamentos analógicos. Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle.


Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de aplicações, em vários segmentos, mesmo em ambientes perigosos. O HART permite o uso de mestres: um console de engenharia na sala de controle e um segundo mestre no campo, por exemplo um laptop ou um programador de mão.

Em termos de performance, podemos citar como características do HART as seguintes:

• Comprovado na prática, projeto simples, fácil operação e manutenção;
• Compatível com a instrumentação analógica;
• Sinal analógico e comunicação digital;
• Opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop;
• Flexível acesso de dados usando-se até dois mestres;
• Suporta equipamentos multivariáveis;
• 500 ms de tempo de resposta(com até duas transações);
• Totalmente aberto com vários fornecedores;

As especificações são atualizadas continuamente de tal forma a atender todas as aplicações.

Veremos a seguir alguns detalhes do protocolo HART.


A simplicidade: o HART e o loop de corrente convencional

As figuras 1 e 2 nos mostram como entender o HART facilmente.

Na figura 1, temos um loop de corrente analógica, onde os sinais de um transmissor variam a corrente que passa por ele de acordo com o processo de medição. O controlador detecta a variação de corrente através da tensão sobre um resistor sensor de corrente. A corrente de loop varia de 4 a 20 mA para frequências usualmente menores que 10 Hz.



A figura 2 é baseada na figura 1, onde o HART foi acrescido.Agora ambas terminações do loop possuem um modem e um amplificador de recepção, sendo que este tem alta impedância de tal forma a não carregar o loop de corrente. Note ainda que o transmissor possui uma fonte de corrente com acoplamento AC e o controlador uma fonte de tensão com acoplamento AC. A chave em série com a fonte de tensão no controlador HART em operação normal fica aberta. No controlador HART os componentes adicionais podem ser conectados no loop de corrente, como ilustrado ou através do resistor sensor de corrente. Do ponto de vista AC o resultado é o mesmo, uma vez que a fonte de alimentação é um curto-circuito. Note que o sinal analógico não é afetado, pois os componentes adicionados são acoplados em AC.




O amplificador de recepção é considerado frequentemente como parte do modem e usualmente não é mostrado em separado. Na figura 2 foi desenhado separadamente para mostrar como se deriva o sinal de tensão de recepção. O sinal de recepção não é somente AC, nem no controlador ou mesmo no transmissor.

Para enviar uma mensagem, o transmissor, ao ligar sua fonte de corrente, fará com que se sobreponha um sinal de corrente de 1mA pico-a-pico de alta frequência sobre o sinal analógico da corrente de saída. O resistor R no controlador converterá este sinal em tensão no loop e esta será amplificada no receptor chegando até ao demodulador do controlador (modem). Do mesmo modo, para enviar uma mensagem ao transmissor, o controlador fecha sua chave, conectando sua fonte de tensão que sobrepõe uma tensão de aproximadamente 500 mV pico-a-pico através do loop. Esta é vista nos terminais do transmissor e encaminhada ao amplificador e demodulador. Note que existe uma implicação na figura 2 dispondo que o mestre transmita como fonte de tensão enquanto o escravo, como fonte de corrente.

A figura 3 exibe detalhes do sinal HART, sendo que as amplitudes podem variar de acordo com as impedâncias e capacitâncias de cada equipamento e perdas causadas por outros elementos no loop. O HART se utiliza do FSK, chaveamento por mudança de frequência (Frequency Shift Keying), onde a frequência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz, representa o 0 binário. Note que estas frequências estão bem acima da faixa de frequências do sinal analógico (0 a 10 Hz) de tal forma que não há interferências entre elas. Para assegurar uma comunicação confiável, o protocolo HART especifica uma carga total do loop de corrente, incluindo as resistências dos cabos de, no mínimo, 230 ohms, e no máximo 1100 ohms.



Equipamentos de campo e handhelds (programadores de mão) possuem um modem FSK integrado, onde via port serial ou USB de um PC ou laptop pode-se conectar uma estação externamente.


A figura 4 ilustra uma conexão típica entre um device Host e um equipamento de campo, onde usualmente se tem comunicação ponto-a-ponto. Veremos, posteriormente, outros tipos de conexões. Em uma conexão do tipo ponto-a-ponto, como a desta figura, é necessário que o endereço do equipamento seja configurado para zero, desde que se use o modo de endereço na comunicação para acessá-lo.



Em sistemas considerado grandes, pode-se usar de multiplexadores para acessar grandes quantidades de equipamentos HART, como por exemplo na figura 5, onde o usuário deverá selecionar o loop de corrente para comunicar via Host.




Nesta situação em cascata, o host pode comunicar-se com vários equipamentos (mais do que 1000), todos com endereços zero.

Ainda podemos ter rede em multidrop e condições de split-range. Na figura 5a, na conexão em multidrop, observe que podem ser ligados no máximo até 15 transmissores em paralelo na mesma linha. A corrente que passa pelo resistor de 250 ohms (foi ocultado na figura) será alta, causando uma alta queda de tensão.



Portanto, deve-se assegurar que a tensão da fonte de alimentação seja adequada para suprir a tensão mínima de operação.


No modo multidrop a corrente fica fixa em 4 mA, servindo apenas para energizar os equipamentos no loop.

A condição de split-range é usada em uma situação especial onde normalmente dois posicionadores de válvulas recebem o mesmo sinal de controle, por exemplo, um operando com corrente nominal de 4 a 12 mA e o outro de 12 a 20 mA. Nesta condição, os posicionadores são conectados em série no loop de corrente com endereços diferentes e o host será capaz de distingui-los via comunicação. Veja figura 6.




Endereçamento em redes densas


Para endereçar os equipamentos em redes densas, um formato especial chamado de “long form adressing” é usado. Durante a configuração,o endereço e o tag de cada equipamento, via ponto-a-ponto são enviados aos equipamentos. Na operação, os equipamentos operam com o endereço no formato long. Usando o comando 11, o host pode acessar os equipamentos via tags. (Figura 7)



As camadas (layers) do HART

O HART foi desenvolvido segundo o modelo OSI, de acordo com a figura 8. O meio físico.



Como visto anteriormente, o HART se utiliza do sinal de 4-20 mA, sobrepondo um sinal em técnica FSK, chaveamento por mudança de frequência (Frequency Shift Keying), onde a frequência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz representa o 0 binário. Cada byte individual do telegrama do layer 2 é transmitido em 11 bits, usando-se 1200 kHz.


Cabeamento

Utiliza-se um par de cabos trançados onde deve-se estar atento à resistência total, uma vez que esta colabora diretamente com a carga total, e agindo na atenuação e distorção do sinal.Em longas linhas e sujeitas a interferências, recomenda-se o cabo com shield, sendo este aterrado em um único ponto, preferencialmente no negativo da fonte de alimentação. Seguem algumas dicas de distribuição do cabeamento, aterramento e shield (blindagem):

• Para curtas distâncias, pode-se usar cabos com 0,2 mm2 e sem shield;

• Para distâncias até 1500 m, recomenda-se usar cabos de par trançados com 0,2 mm2 e com shield;

• Para distâncias até 3000 m, recomenda-se usar cabos de par trançados com 0,5 mm2 e com shield;

• Deve-se assegurar a continuidade da blindagem (shield) do cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo. E, ainda, esta deve ser aterrada somente em um ponto, preferivelmente na fonte de alimentação. O shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores, splices e caixas de distribuição e junção;

• Isolar sinal HART de fontes de ruídos, como cabos de força, motores, inversores de frequência. Colocá-los em guias e calhas separadas;

• Quando utilizar cabos multivias, não misturar sinais de vários protocolos;

• Em relação ao aterramento, deve-se ter uma impedância de terra suficientemente baixa com capacidade de dreno suficiente para conduzir e prevenir picos de tensão. Recomenda-se evitar múltiplos terras;

• Evitar loops de terra: quando se tem vários equipamentos aterrados a um terra comum por caminhos diferentes, cria-se diferenças de potenciais que podem danificar os equipamentos;


• Possíveis fontes de captação de ruído ou de distorções do sinal de comunicação podem ser citadas:

• Sistema de aterramento totalmente desbalanceado;

• Estruturas metálicas mal aterradas ou isentas de aterramento;

• Presença de laços com grande área de acoplamento magnético;

• O loop de terra do sinal AC determina um circuito elétrico AC, alimentado pela tensão de desbalanceamento do terra e a interferência será tão maior quanto maior for o nível de tensão do ruído e quão próxima for a frequência do ruído da frequência do sinal de comunicação;

• Estruturas metálicas mal aterradas ou isentas de aterramento podem servir de antena, captando ruídos de tal energia que poderia fazer com que o circuito AC passe a conduzir correntes que possam interferir na qualidade do sinal de comunicação. Este fenômeno, denominado indução magnética, pode ser minimizado com a implementação de um circuito de retorno próximo ao cabeamento do barramento;

• Se o sistema de bandejamento e de dutos criar um circuito ininterrupto de retorno junto ao cabeamento, o laço pode ser minimizado, diminuindo a área de acoplamento. Geralmente, o problema resultante deste tipo de falha de instalação, em plantas operando normalmente, não será aparente, e caso ocorra um desbalanceamento de terra, o defeito trará consequências desastrosas ao sistema, com danos permanentes nos equipamentos;

• Para detectar a presença de aterramento em múltiplos pontos, recomenda-se, uma vez terminada a instalação, abrir cada ponto de aterramento e realizar a medição da impedância deste ponto para o terra (megagem – a impedância lida deve ser bastante alta, da ordem de alguns Mega Ohms);

• Se a impedância lida for baixa, isto indica que algum ponto da linha deve estar em contato com o terra (curto com a carcaça, conexão de equipamentos não isolados com os sensores aterrados, etc.) e o curto deve ser desfeito. Lembrar que as recomendações são válidas não apenas para o sinal, mas também para a própria blindagem dos cabos. Uma das ocorrências mais comuns é abandonar o shield dos cabos mal acabado no bandejamento ou no próprio invólucro dos equipamentos e isto pode levar a curtos indesejáveis com a carcaça.A prática recomenda que se faça também a megagem da blindagem. As megagens do sinal e da blindagem devem ser sistemáticas, repetindo sempre que se faça algum tipo de manutenção nos dispositivos ou na cablagem. Qualquer manuseio em qualquer uma destas partes pode ocasionar um curto para a carcaça, principalmente se o acabamento dos cabos for mal executado (curto ao fechar a tampa, curto ao manipular os cabos nas bandejas, etc);

• Deve-se sempre estar atento as normas de segurança segundo as exigências dos órgãos certificadores e conforme a aplicação.




Layer 2

O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre. A figura 9 mostra de maneira simples o modelo de troca de dados entre mestre e escravo. Toda comunicação é iniciada pelo mestre e o escravo só responde algo na linha se houve um pedido para ele. Existe todo um controle de tempo entre envios de comandos pelo mestre. Há inclusive, um controle de tempo entre mestres quando se tem dois mestres no barramento.



Em termos de serviços de comunicação, o HART provê 3 tipos:

• Comandos padrões: onde se tem a troca de dados entre mestres/escravos;

• Comandos em broadcast: que são comandos que todos os equipamentos recebem;

• Modo burst: onde alguns equipamentos ciclicamente a cada 75 ms enviam na linha o valor de processo medido. Normalmente, tem-se duas transações por segundo. Neste modo, pode-se ter quatro por segundo.


• Na figura 10 podemos ver um frame padrão do HART, onde:



• Preâmbulo: pode ser 3 ou mais bytes FF de sincronismo dos sinais da mensagem;

• SD: é o byte que indica quem está enviando o frame: mestre, escravo ou o escravo em burst mode e ainda, qual o formato, long or short;

• AD: é o campo de endereço onde no formato short com um byte, possui um bit de distinção entre os dois mestres possíveis e um para indicar burst mode.Em equipamentos de campo, 4 bits são usados para o endereço, de 0 a 15.No caso do formato long, o endereço tem 38 bits;

• CD: este é o byte que identifica o comando HART que vai depender do layer 7, isto é, da aplicação. Os comandos são divididos em classes: universais, comuns e de acordo com o fabricante;

• BC: indica o comprimento da mensagem.No HART o comprimento máximo é 25 bytes;

• Status: são dois bytes que indicam a condição do equipamento. Quando iguais a zero, o equipamento está OK;

• Data: são os dados transmitidos e que podem ser em vários formatos onde os equipamentos converterão convenientemente;

• Parity: contém o checksum, atendo HD = 4 (Hamming distance).


Em um frame usando formato short, teremos 25 bytes mais 10 bytes de controle. Como usa 11 bits, teríamos:

• 11*35 = 385 bits transmitidos;
• O tempo por bit é de : 1/1200 bit/s = 0,83 ms;
• O tempo total de transação é de = 385*0,83 ms = 0,319 s;
• O tempo de transação do 25 bytes(dados de usuário) é = 0,319 s/25 = 12,8 ms.

A relação entre o tempo de dados de usuário e o tempo total de transação é: 25 * 8 bits / 385 bits = 52 %.

Observe que em mensagens mais curtas, a proporção entre o dado de usuário e o dado de controle pode chegar a 128 ms para um byte de dado de usuário. Em geral,tem-se um tempo de 500 ms para garantir duas transações mais alguma informação adicional de manutenção e sincronização.

Application Layer (Camada de Aplicação)

Como explicado anteriormente, o HART é baseado em comandos que uma vez recebidos pelos escravos, permitem certas ações.Estes comandos estão divididos em classes:

• Universais: comandos usados e compreendidos por todos equipamentos HART;
• Práticos e Comuns: suportados pela maioria dos equipamentos HART e de acordo com a função do equipamento;
• Específicos de cada equipamento conforme o fabricante: são dependentes das características particulares de cada equipamento/fabricante.

Um exemplo de equipamento HART. A figura 13 mostra o diagrama funcional do LD301, segundo os padrões HART:

Vejamos a figura 11, onde temos o diagrama de blocos do transmissor de pressão LD301 da Smar.




Este transmissor possui a tecnologia do sensor capacitivo, que é a tecnologia mais difundida e testada em nível de sensores de pressão, em milhares de aplicações e segmentos, desde as mais simples até as mais complexas e principalmente onde exige-se exatidão e confiabilidade. Não possui conversor A/D e a leitura dos sinais de capacitâncias é totalmente digital (a Smar usa desta metodologia digital desde a década de 80), eliminando drifts comumente encontrados neste componente.

Graças a um chip desenvolvido e comercializado pela Smar, o HT3012, este transmissor possui um dos maiores MTBFs do mercado, onde este chip, além de um modem HART, um conversor D/A de 15 bits e um controlador de LCD, tem um coprocessador matemático que garante alta performance a todos os equipamentos HART desenvolvido com o mesmo. Com todas estas funcionalidades e alto nível de integração, este chip possibilita que este transmissor de pressão possua somente uma placa eletrônica, facilitando manutenção e controle de estoque, uma vez que uma única placa atende todos os modelos.

Tudo isto colabora no aumento de confiabilidade e diminui as probabilidades de falhas, garantindo seu uso em áreas críticas. Além disso, o LD301 possui rápido tempo de resposta, funções avançadas de diagnóstico, totalização com persistência e um bloco PID, onde em muitas aplicações dispensa o uso de um controlador. Veja figura 12 a 15.









Para conhecer a linha completa de equipamentos de campo Smar acesse o site.


A convivência de vários protocolos em uma mesma planta

Daqui para frente é esperado que a convivência entre vários protocolos torne-se uma constante, principalmente onde o parque instalado for grande e deseja-se preservar os investimentos feitos. A figura 16 é um exemplo típico de sistema onde se tem em uma mesma planta os protocolos Foundation Fieldbus e HART. Neste caso, uma interface HART-FF, o HI302, é utilizado, permitindo conexões ponto-a-ponto e multidrop. O HI302 é uma ponte entre equipamentos HART e sistemas Foundation Fieldbus, possui 8 canais HART master e faculta ao usuário executar manutenção, calibração, monitoramento de status do sensor, status geral do equipamento, dentre outras informações.



O uso de FDT e DTMs na configuração de equipamentos HART.


A tecnologia baseada em FDT(Field Device Tool) e DTM (Device Type Manager) permite ao usuário ganhar versatilidade e flexibilidade de configuração, parametrização,calibração e principalmente mecanismos de download e upload durante a fase de planejamento/ comissionamento dos projetos. É uma tecnologia aberta, e que permite que um DTM de um equipamento de campo rode em qualquer frame application suportando FDT e ainda possibilita usar um único ambiente de software para integrar produtos de diferentes fabricantes e protocolos. O DTM é um “driver”, ou seja, é um componente de software (DLL, EXE) que representa cada equipamento que estiver na planta. Este “driver” obedece à norma FDT e pode ser usado em qualquer Frame Application, independente do fabricante. A figura 17 ilustra um configurador baseado nesta tecnologia e o DTM do LD301.



Conclusão

Pudemos ver alguns detalhes do protocolo aberto HART, com uma visão um pouco diferente do que se tem em nível de usuário, isto é, envolvendo detalhes técnicos deste padrão. Além disso, vimos o que se tem em termos de desenvolvimento de chips HART avançados e os benefícios em performance, recursos e funcionalidades de um transmissor de pressão com este desenvolvimento. E ainda, a integração de Fieldbus com HART e o uso do FDT e DTM na configuração HART.
 

*Matéria originalmente publicada na revista Mecatrônica Atual; Ano: 8; Nº 43; Jan / Fev - 2010