UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE COMPUTAÇÃO E

AUTOMAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

ERIC BEZERRIL FONSECA

REDES INDUSTRIAIS: PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO HART

Orientador: Prof. Dr. Luiz Affonso H Guedes de Oliveira

Natal – RN 2009

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE COMPUTAÇÃO E AUTOMAÇÃO

CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

ERIC BEZERRIL FONSECA

REDES INDUSTRIAIS: PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO HART

Orientador: Prof. Dr. Luiz Affonso H Guedes de Oliveira

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Banca Examinadora, em cumprimento às exigências legais, como parte das atividades para a conclusão do curso de Engenharia de Computação pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Natal – RN 2009

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Sumário

Capítulo 1 - Introdução ............................................................................................................................8

1.1. Automação Industrial.................................................................................................................8

1.2. Redes para Automação Industrial ...........................................................................................9

1.3. Objetivos .................................................................................................................................. 12

Capítulo 2 - Wired HART........................................................................................................................ 13

2.1. Introdução ................................................................................................................................ 13

2.2. Especificações HART ............................................................................................................ 14

2.3. Sinal HART .............................................................................................................................. 14

2.4. Estrutura da Mensagem HART ............................................................................................ 16

2.5. Topologia ................................................................................................................................. 17

2.5.1. Ponto a Ponto .................................................................................................................. 17

2.5.2. Multidrop ........................................................................................................................... 19

2.6. Cabos ....................................................................................................................................... 19

2.7. Comandos HART .................................................................................................................... 20

2.8. Multiplexadores ....................................................................................................................... 21

2.9. Variável de medição, intervalo e estado ............................................................................. 22

2.10. Exemplo de Aplicação ......................................................................................................... 23

Capítulo 3 - Wireless Hart ................................................................................................................. 25

3.1. Introdução ................................................................................................................................ 25

3.2. Tecnologia ............................................................................................................................... 26

3.2.1. Fundamentos Tecnológicos ........................................................................................... 26

3.2.2. Confiabilidade de Dados ................................................................................................ 27

3.2.3. Padrão IEEE 802.15.4 .................................................................................................... 28

3.3. Arquitetura ............................................................................................................................... 30

3.3.1. Gerenciador de Rede ...................................................................................................... 30

[5]

3.3.2. Gateway ............................................................................................................................ 31

3.3.3. Dispositivos de Campo ................................................................................................... 31

3.3.4. Dispositivos de Rede ...................................................................................................... 32

3.3.5. Topologia de Rede .......................................................................................................... 33

3.3.6. Formação da Rede.......................................................................................................... 33

3.4. Aplicações ................................................................................................................................ 34

3.4.1. Dispositivo de Acesso WirelessHART ......................................................................... 34

3.4.2. Aplicações Comuns ........................................................................................................ 35

Capítulo 4 - Aspectos de Configuração .......................................................................................... 38

4.1. Configuração ........................................................................................................................... 38

4.1.1. Comunicadores Universais Portáteis ........................................................................... 38

4.1.2. Configuração de Instrumento Baseada em PC e Gerenciamento de Ferramentas ....................................................................................................................................................... 39

4.2. Integração ................................................................................................................................ 40

4.2.1. Integração Ponto a Ponto .............................................................................................. 41

4.2.2. Integração HART-para-Analógico ................................................................................. 41

4.2.3. Integração HART-mais-Analógico ................................................................................ 42

4.2.4. Integração Total HART ................................................................................................... 42

4.3. Calibração ................................................................................................................................ 42

4.4. Linguagem de Descrição de Dispositivo (DDL) ................................................................. 43

4.4.1. O que é descrição de dispositivo? ................................................................................ 43

4.4.2. DDL – A HTML da Tecnologia de Campo ................................................................... 43

4.4.3. Os componentes de uma DD ........................................................................................ 44

4.4.4. DDL – Uso e Benefícios ................................................................................................. 45

Capítulo 5 - Conclusão ........................................................................................................................... 47

Referências Bibliográficas ..................................................................................................................... 48

[6]

Lista de Figuras e Tabelas Fig. 1 - Níveis de Abstração.................................................................................................................8

Fig. 2 - Níveis de Tecnologia ...............................................................................................................9

Fig. 3 - Classificação das Redes Industriais quanto ao Tipo de Transmissão ......................... 10

Fig. 4 - Classificação das Redes Digitais ....................................................................................... 11

Fig. 5 - Protocolo HART, segundo o Modelo OSI ......................................................................... 14

Fig. 6 - Comunicação Digital + Sinal Analógico Simultâneo ........................................................ 15

Fig. 7 - Sobreposição do sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4-20mA ............. 15

Fig. 8 - Estrutura da Mensagem HART ........................................................................................... 16

Fig. 9 - Dois mestres acessam a informação de um mesmo instrumento de campo (escravo) ............................................................................................................................................................... 18

Fig. 10 - Comunicação HART mestre - escravo ............................................................................ 18

Fig. 11 – Modo Burst ou Broadcast - Opcional .............................................................................. 18

Fig. 12 - Os equipamentos de campo HART podem ser conectados numa rede Multidrop em algumas aplicações ............................................................................................................................ 19

Fig. 13 - Aplicação com Multiplexadores ........................................................................................ 21

Fig. 14 - Multiplexador com Gateway .............................................................................................. 22

Fig. 15 - Gráfico da Medição da Variável Primária ....................................................................... 23

Fig. 16 - Alguns equipamentos HART incluem controlador PID em seus algoritmos, implementando uma solução de controle com boa relação custo-benefício ............................ 24

Fig. 17 - Dispositivos HART existentes com adaptadores WirelessHART................................ 25

Fig. 18 - Novos dispositivos WirelessHART ................................................................................... 26

Fig. 19 - Redundância de caminho .................................................................................................. 28

Fig. 20 - Padrão IEEE802.15.4 no modelo OSI ............................................................................. 29

Fig. 21 - Estrutura do quadro MAC .................................................................................................. 29

Fig. 22 - Quadro de dados ................................................................................................................ 30

Fig. 23 - Uso do Gateway ................................................................................................................. 31

Fig. 24 - Uso de um adaptador WirelessHART ............................................................................. 32

[7]

Fig. 25 - Topologias WirelessHART ................................................................................................ 33

Fig. 26 - Acesso WirelessHART com adaptador e integrado ...................................................... 34

Fig. 27 - Comunicadores HART ....................................................................................................... 39

Fig. 28 - Exemplo de ligação de um terminal handheld em uma rede Wired HART ............... 40

Fig. 29 - Integração de dados ........................................................................................................... 41

Fig. 30 - Etapas de Calibração dos Instrumentos de Campo ...................................................... 42

Fig. 31 - Interface com o usuário ..................................................................................................... 45

Tabela 1 – Relação entre o tipo de cabo e a distância máxima ................................................. 19

Tabela 2 - Comprimento máximo do cabo em função da capacitância ..................................... 20

[8]

Capítulo 1 - Introdução

1.1. Automação Industrial

A automação industrial pode ser definida como um conjunto de técnicas destinadas a tornar automáticos vários processos na indústria, substituindo o trabalho muscular e mental do homem por equipamentos diversos. O conceito de automação varia com o ambiente e experiência da pessoa envolvida.

A automação industrial tem como objetivos: proporcionar um aumento da segurança de operação/produção; diminuição dos custos operacionais; melhoria das condições de operação; simplificação das instalações; aumento dos níveis de controle; e aumento dos níveis de acompanhamento. As figuras 1 e 2 mostram, respectivamente os níveis de abstração e de tecnologia dos problemas da automação industrial.

Fig. 1 - Níveis de Abstração

[9]

Fig. 2 - Níveis de Tecnologia

Os processos na automação industrial podem ser: • Contínuos

o As variáveis manipuladas têm natureza contínua o Processos químicos e físicos

• Discretos o As variáveis manipuladas têm natureza discreta o Processos de intertravamento e manufatura

• Sistemas híbridos o Variáveis contínuas + discretas

1.2. Redes para Automação Industrial

As redes industriais estendem o conceito de redes de computadores, levando em consideração o tipo de transmissão, como pode ser observado na figura 3.

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Fig. 3 - Classificação das Redes Industriais quanto ao Tipo de Transmissão

As redes analógicas, como o próprio nome diz, abrangem as redes com transmissão de sinal analógico, mas comumente o sinal de 4-20mA. As redes híbridas transmitem o sinal tanto analógico quanto digital, por exemplo, o protocolo HART. E as redes digitais transmitem apenas sinais digitais.

As redes de comunicação industriais são responsáveis pela interligação de computadores, integração de computadores ao CLP’s e integração dos CLP’s a dispositivos inteligentes (Controladores de Solda, Robôs, Terminais de Válvula, Balanças, Sistemas de Identificação, Sensores, Centros de Comando de Motores, etc.).

As redes digitais podem ser classificadas em Sensorbus , Devicebus e Fieldbus , como pode ser observado na figura 4.

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Fig. 4 - Classificação das Redes Digitais

Redes tipo Sensorbus

• Dados em formato de bits • Conexão

o Poucos equipamentos o Equipamentos simples o Ligação direta

• Características o Comunicação rápida em níveis discretos o Sensores de baixo custo o Pequenas distâncias

• Objetivo principal – minimizar custos • Exemplos: Seriplex, ASI, Interbus Loop

Redes Tipo Devicebus

• Dados em formato de bytes • Podem cobrir distâncias de até 500m • Equipamentos predominantemente de variáveis discretas • Algumas redes permitem a transferência de blocos de dados com prioridade

menor aos dados em formato de bytes • Possuem os mesmos requisitos temporais das redes Sensorbus, porém

podem manipular mais equipamentos e dados • Exemplos: Device-Net e Profibus

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Redes Tipo Fieldbus

• Redes mais inteligentes – podem conectar mais equipamentos a distâncias mais longas

• Os equipamentos conectados a rede possuem inteligência para executar funções específicas: Sensor, atuador, controle

• As taxas de transferência de dados podem ser menores que as anteriores, porém estas são capazes de comunicar vários tipos de dados:

o Discretos, analógicos, parâmetros, programas e informações de usuário

• Exemplos: Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART

1.3. Objetivos

Este trabalho tem como objetivo apresentar as características e tecnologias inerentes ao uso do protocolo de comunicação HART, bem como seus aspectos de configuração. O protocolo HART transmite o sinal digital em cima de um sinal analógico, por isso se enquadra também nas redes híbridas.

O capítulo 2 trata do protocolo Wired HART, apresentado suas características, topologia e tecnologias associadas. O capítulo 3 apresenta o WirelessHART com suas características, equipamento, arquitetura e tecnologias. O capítulo 4 trata dos aspectos comuns aos protocolos Wired e Wireless HART, tais como configuração da rede e equipamentos que a compõe, calibração, integração de dados e das linguagens associadas ao protocolo (DD’s e DDL’s). E, finalmente, o capítulo 5 apresenta a conclusão a respeito do objeto de estudo deste trabalho, ponderando as vantagens do uso da tecnologia em questão de acordo com as características e particularidades do projeto/planta em análise.

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Capítulo 2 - Wired HART

2.1. Introdução

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 comunicação com instrumentos de campo inteligentes.

O protocolo de comunicação HART é mundialmente conhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, microprocessados. Devido a seu rápido crescimento, hoje, virtualmente todos os grandes fabricantes de instrumentação oferecem produtos dotados de comunicação HART.

O protocolo HART permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos 4-20mA na mesma fiação, sem interferência. Como a velocidade de transmissão é baixa, os cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos, mantendo a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento sobre os sistemas 4-20mA existentes.

Virtualmente todos os sistemas de controle de processos de plantas usam o padrão internacional de sinal analógico 4-20mA para transmissão da variável de processo. Dessa maneira é possível estender o uso do protocolo HART, virtualmente, a todos os sistemas de controle de processos de plantas, permitindo a medição de processos de forma mais eficaz e interativa que a instrumentação analógica.

A comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos, há vários anos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Esse sinal de corrente, na maioria das aplicações, varia dentro da faixa de 4mA a 20mA proporcionalmente à variável de processo representada.

O protocolo HART possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico 4-20mA. Tanto o sinal analógico 4-20mA como o digital de comunicação HART, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. Por exemplo, a variável primária e a informação 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.

Os aspectos de Configuração, Integração e Calibração serão vistos mais detalhadamente no Capítulo 4.

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2.2. Especificações HART

Com base no Modelo OSI de 7 camadas, o protocolo HART utiliza apenas as camadas física, de enlace e de aplicação, como pode ser observado na figura 5:

Fig. 5 - Protocolo HART, segundo o Modelo OSI

A Camada Física 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 divide a informação a ser transmitida em pacotes, adiciona os bits referentes à detecção de erros e controla o acesso ao meio.

A Camada de Aplicação define os comandos, respostas, tipos de dados e decodifica os relatórios de status do instrumento.

2.3. Sinal HART

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 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, como mostram as figuras 6 e 7.

O sinal HART FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, possibilitando a transmissão e recepção de informações adicionais, além da normal, que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo.

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Fig. 6 - Comunicação Digital + Sinal Analógico Simu ltâneo

Fig. 7 - Sobreposição do sinal de comunicação digit al ao sinal de corrente 4-20mA

[16]

2.4. Estrutura da Mensagem HART

A estrutura da mensagem enviada pelo sinal HART digital é apresentada na figura 8:

Fig. 8 - Estrutura da Mensagem HART

Onde:

• O preâmbulo possui entre 5 e 20 bytes em hexa FF (todos 1’s) e auxilia o receptor a sincronizar o stream de caracteres.

• 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.

• 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).

• 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.

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• 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”

• 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.

• 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.

• 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.

2.5. Topologia

O HART é um protocolo do tipo mestre/escravo, tipicamente entre um instrumento de campo e um sistema de controle ou monitaramento, podendo ser ponto a ponto ou multidrop. O protocolo permite o uso de até dois mestres que podem ser comunicar com um instrumento escravo em uma rede HART. O mestre primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Dsitribuído), um CLP, um controle central baseado em computador, um multiplaxador ou um sistema de monitoração. O mestre secundário é geralmente representado por teminais hand-held de configuração e calibração.

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.

2.5.1. Ponto a Ponto

A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com a com o sinal analógico de 4-20mA, mais comumente usada, 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. A figura 9 mostra uma instalação típica com dois mestres e a figura 10 mostra a comunicação mestre/escravo digital, simultânea com o sinal analógico 4-20mA, a mais comum.

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Fig. 9 - Dois mestres acessam a informação de um me smo instrumento de campo (escravo)

Fig. 10 - Comunicação HART mestre - escravo

Um segundo mecanismo de trasnferência de dados utilizado é o denominado burst ou broadcast mode, como mostra a figura 11. Neste, o instrumento pode enviar uma variável (por exemplo a variável primária) de forma autônoma e periódica. No intervalo entre os envios o mestre pode executar um ciclo de pergunta e resposta. A taxa de transmissão nesse caso se eleva para 3 ou 4 ciclos por segundo. O mestre pode a qualquer momento enviar uma mensagem para interromper este envio contínuo de mensagens de reply, de acordo com sua conveniência. O modo burst libera o mestre de ficar repetindo um comando de solicitação para atualizar a informação da variável de processo.

Fig. 11 – Modo Burst ou Broadcast - Opcional

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2.5.2. Multidrop

O protocolo HART tem a capacidade de conectar até 15 instrumentos de campo pelo mesmo par de fios em uma configuração multidrop, como mostrado na figura 12. 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.

Fig. 12 - Os equipamentos de campo HART podem ser c onectados numa rede Multidrop em

algumas aplicações

A grande deficiência desse tipo de configuração é que o tempo de ciclo para leitura de cada instrumento é de cerca de 500ms podendo alcançar 1000ms. Para o caso de 15 equipamentos o tempo será de 7,5 s a 15 s, o que é muito lento para grande parte das aplicações.

2.6. Cabos

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 comum. O sinal possui compatibilidade com sistema telefônico para o caso de grandes distâncias. A tabela 1 mostra a relação tipo de cabo x distância máxima.

Distância Máxima Tipo de Cabo Mm2

(AWG)

1534 m Cabo de par trançado com blindagem única 0.2 (24)

3048 m Cabo de par trançado com blindagem 0.5 (20)

Tabela 1 – Relação entre o tipo de cabo e a distânc ia máxima

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, como mostra a tabela 2:

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Nº Instrumentos

Capacitância/km

65 nF/km 95 nF/km 160 nF/km 225 nF/km

1 2800 2000 1300 1000

5 2500 1800 1100 900

10 2200 1600 1000 800

15 1800 1400 900 700

Tabela 2 - Comprimento máximo do cabo em função da capacitância

2.7. Comandos HART

A comunicação HART é baseada em comandos, como por exemplo, o mestre emite um comando e o escravo responde. Existem três tipos de comandos HART que permitem leitura/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.

Comandos Universais – todos os instrumentos que utilizam o protocolo HART devem reconhecer e suportar comandos universais. Eles asseguram a interoperabilidade entre uma larga e crescente base de produtos provenientes de diversos fornecedores e permitem o acesso às informações usuais em operações de plantas. Exemplos: leitura da PV e unidades, leitura do tipo de instrumento e fabricante, leitura da corrente de saída, percentual de intervalo e leitura do número de série e limites do sensor.

Comandos Práticos – permitem acessar funções que são implementadas em alguns instrumentos, mas não necessariamente em todos. Esses comandos são opcionais, mas se implementados, devem atender às especificações da norma. Exemplos: ler a seleção de 1 a 4 variáveis dinâmicas, escrever intervalo do transmissor, fixar corrente de saída, realizar auto-teste.

Comandos Específicos – permitem o acesso a características exclusivas do instrumento e geralmente são usados para configurar os parâmetros. Exemplo: escrever um novo “set-point” de um algoritmo PID disponível no instrumento.

As informações de diagnóstico do instrumento estão disponíveis em todas as respostas ao comando HART, garantindo uma elevada integridade do sistema para malhas críticas. Os bits que representam o estado do instrumento em cada mensagem de resposta indicam o mau funcionamento ou outros problemas, tais

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como saída analógica saturada, variável fora da faixa ou erros de comunicação. Alguns instrumentos compatíveis com HART podem monitorar continuamente estes bits do instrumento e permitir a geração de alarme ou mesmo o seu desligamento se problemas forem detectados.

2.8. Multiplexadores

Os multiplexadores fazem parte de todo novo projeto envolvendo redes HART. Funcionam como um mestre primário que realiza a leitura de todas as variáveis de processo e informações dos estados de todos os transmissores periodicamente, de forma independente do hospedeiro. O host por sua vez lê as variáveis de processo do multiplexador. Também pode enviar comandos e estabelecer uma “conversação” diretamente com um dispositivo de campo. O multiplexador é essencial quando um dos objetivos do projeto é o controle dos ativos de instrumentação (Instrumentation Asset Management). Em sistemas antigos onde se deseja implementar esta função, multiplexadores podem ser colocados em paralelo com as ligações convencionais para proporcionar a função de diagnóstico contínuo dos instrumentos. A figura 13 mostra um exemplo de uma aplicação com multiplexadores.

Fig. 13 - Aplicação com Multiplexadores

Os multiplexadores também podem fazer a função de GATEWAY do protocolo HART com outros barramentos de campo, como mostrado na figura 14.

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Fig. 14 - Multiplexador com Gateway

2.9. Variável de medição, intervalo e estado

A variável primária (PV – do inglês Primary Variable) de um instrumento de medição HART pode ser utilizada tanto como valor digital, pela comunicação HART, como um sinal analógico (4-20mA). Existem duas representações de PV na forma digital: em unidade de engenharia (pelos Comandos HART #1 ou #3 e outros), como mostra a figura 15; e como percentual de intervalo (pelo Comando HART #2). O Comando HART #3 também pode ler a saída corrente analógica real em miliampères. Cada mensagem HART de um instrumento de campo inclui dados de informação, na forma de 8 bits com significados pré-definidos, dos quais 2 descrevem o estado atual da variável medida.

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Fig. 15 - Gráfico da Medição da Variável Primária

LRV (Lower Range Value) e URV (Upper Range Value) são dois valores de PV que podem ser representados por 4mA e 20mA respectivamente. Em termos gerais, é o “intervalo” do instrumento.

LSL (Lower Sensor Limit) e USL (Upper Sensor Limit) descrevem os limites de até onde o sensor funciona adequadamente. Além desse intervalo, o valor medido pode estar incorreto.

Um instrumento HART digitaliza a saída do sensor na faixa de LSL a USL. Esse valor digitalizado, uma vez convertido, corrigido e linearizado se transforma na forma digital de PV. Ou seja, a PV digital representa com exatidão a medição física em cima desse intervalo: LSL a USL.

Evidentemente, o sinal analógico não pode ser coberto por esse intervalo. Ele é representado corretamente somente pelo intervalo entre LRV e URV, com uma pequena tolerância (geralmente de -0,6% a +105% do intervalo).

2.10. Exemplo de Aplicação

Na aplicação da figura 16, o transmissor HART tem um algoritmo interno de controle PID. O instrumento é configurado de modo que o loop de corrente 4-20mA seja proporcional à saída de controle PID, executado no instrumento (e não à variável medida, como por exemplo, a pressão, como na maioria das aplicações de instrumentos de campo). Uma vez que o loop de corrente é controlado pela saída de controle do PID, este é utilizado para alimentar diretamente o posicionador da válvula de controle.

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Fig. 16 - Alguns equipamentos HART incluem controla dor PID em seus algoritmos,

implementando uma solução de controle com boa relaç ão custo-benefício

A malha de controle é executada inteiramente no campo, entre o transmissor (com PID) e a válvula. A ação de controle é contínua como no sistema tradicional; o sinal analógico de 4-20mA comanda a válvula. Através da comunicação digital HART o operador pode mudar o set-point da malha de controle e ler a variável primária ou a saída para o posicionador da válvula.

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Capítulo 3 - Wireless Hart

3.1. Introdução

O WirelessHART 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.

Comparado a sistemas com conexões do tipo estrela, a arquitetura WirelessHART é mais confiável e consideravelmente mais simples de se instalar e manter.

O protocolo HART oferece suporte a redes WirelessHART nativas e adaptadas, ou seja, tanto dispositivos de campo totalmente sem fio, quanto dispositivos tradicionais ligados a adaptadores sem fio. A figura 17 mostra uma rede WirelessHART com uso de adaptadores.

Fig. 17 - Dispositivos HART existentes com adaptado res WirelessHART

A figura 18 mostra a nova rede WirelessHART composta de equipamentos wireless.

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Fig. 18 - Novos dispositivos WirelessHART

3.2. Tecnologia

3.2.1. Fundamentos Tecnológicos

A arquitetura e projeto básicos da comunicação WirelesHART têm como fundamentos tecnológicos básicos:

• Comunicação Sincronizada no Tempo

Dispositivos WirelessHART se comunicam utilizando Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA – Time Division Multiple Access). Cada dispositivo WirelessHART é sincronizado precisamente com o dispositivo vizinho. Toda comunicação dispositivo-a-dispositivo ocorre numa janela de tempo pré-agendada, o que possibilita alta confiabilidade (comunicação livre de colisões), eficiência energética, e comunicação escalável.

• Auto-organização e Auto-tratamento

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 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.

• Espectro de Cobertura e Salto de Freqüência

WirelessHART usa a parte não licenciada da banda de rádio ISM 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,

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WirelessHART “salta” através de 15 canais de freqüência enviando mensagens numa freqüência pseudo-randômica.

Além disso, WirelessHART utiliza rádios IEEE 802.15.4 DSSS (Direct Sequency Spread Spectrum) que possuem boa imunidade a ruídos. Espectro de Cobertura juntamente com Salto de Freqüência são duas boas maneiras de evitar e contornar problemas de interferência com agilidade ao invés de força bruta.

• Segurança em Comunicação

A segurança de comunicação em WirelessHART tem como base: encriptação, autenticação e integridade. Encriptação garante que a informação transmitida na mensagem não seja lida por outros dispositivos; autenticação assegura que o emissor é realmente o emissor; e integridade assegura que a mensagem foi entregue intacta. WirelessHART fornece mecanismos para cada uma dessas funções e fornece suporte ao gerenciamento de chaves de segurança, mudando-as conforme necessário.

• Redundância na Malha de Roteamento

WirelessHART implementa a topologia “Malha Completa” onde cada dispositivo mantém múltiplos caminhos de comunicação redundantes. Redundância no roteamento é o ambiente de RF mais utilizado no mundo. As condições do sinal mudam a todo tempo devido às condições climáticas, sistemas RF novos ou desconhecidos, mudança de equipamentos ou novas construções. Uma rede com topologia malha completa, aliada às características de auto-organização e auto-tratamento, mantém sua confiabilidade e previsibilidade por um longo tempo.

• Rádios IEEE 802.15.4

WirelessHART utiliza rádios IEEE 802.15.4-2006, que oferecem boa performance a baixo custo, e rádios interoperáveis são disponibilizados por vários fabricantes de semicondutores. O padrão IEEE 802.15.4 é também utilizado por outros padrões de rede sem fio, o que permite constantes inovações, redução de custos e suporte a uma maior diversidade de fabricantes.

3.2.2. Confiabilidade de Dados

• Lista Negra

Usando esta técnica, uma banda de freqüência (canal) conhecida por fornecer interferência persistente pode ser permanentemente omitida. Lista Negra é um atributo configurável do Gerenciador de Rede localizado nas

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proximidades de outras redes sem fio que estão no mesmo ambiente físico da rede WirelessHART.

• Redundância de Caminho

A única maneira de uma malha de rede como WirelessHART oferecer alta confiabilidade de dados é fornecendo caminhos ou trajetos de comunicação redundantes de dispositivos de campo a dispositivos receptores, como gateway ou interface de sistema. Para implementar redundância de caminho, cada dispositivo de campo deve estar dentro do alcance de comunicação de pelo menos outros dois dispositivos que possam receber suas mensagens e repassá-las. A Redundância de Caminho não é necessário para uma rede WirelessHART operar, mas seu uso é altamente recomendado.

Na figura 19, dois caminhos de comunicação distintos podem ser definidos para cada dispositivo de campo. Portanto, se um dispositivo ou caminho for interrompido, a comunicação ainda pode ser realizada usando caminho redundante.

Fig. 19 - Redundância de caminho

3.2.3. Padrão IEEE 802.15.4

O padrão IEEE 802.15.4, é constituído por uma arquitetura compatível com as normas que regem o grupo 802.15. Sua arquitetura real não apresenta diferença com as arquiteturas dos padrões anteriores como, por exemplo, as do token ring e Ethernet. O Hardware do IEEE 802.15.4 fica na camada física e acima desta foi introduzida à camada lógica conforme mostra a figura 20. O IEEE 802.15.4 pode operar isoladamente por não precisar de roteamento.

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Fig. 20 - Padrão IEEE802.15.4 no modelo OSI

O IEEE 802.15.4 suporta 4 tipos de quadros: quadro de dados, quadro de ACK, quadro de comando e quadro Beacon.

Quanto à sua constituição, todos os quadros apresentam a mesma estrutura e formatos iguais.

Assim, seguindo a lógica, a estrutura do quadro é padronizada por 4 formatos como:

• Formato de quadros de dados

• Formato de quadros do comando MAC

• Formato de quadro de reconhecimento ou Acknoledgment

• Formato do super quadro ou Beacon Frame

Como a mensagem WirelessHART é transmitida dentro do quadro IEEE802.15.4, nos interessa conhecer apenas a estrutura do quadro MAC e a estrutura do quadro de dados.

A figura 21 mostra a estrutura básica de um quadro da camada MAC do padrão IEEE 802.15.4.

Fig. 21 - Estrutura do quadro MAC

O campo dado contém um número de bytes arbitrário, que é transferido transparentemente do emissor para o receptor ou receptores. A figura 22 mostra a estrutura desse campo.

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Fig. 22 - Quadro de dados

Esta estrutura é uma das mais básicas e importantes do padrão 802.15.4. Tem capacidade de transferir até 104 bytes por pacote, o que já é o suficiente, se tratando de transferência de informações entre sensores. Para garantir a confiabilidade da entrega dos dados contém um campo com uma numeração seqüencial dos dados e um campo de Frame Check Sequence (FCS). É dentro deste quadro que a mensagem WirelessHART é transmitida.

3.3. Arquitetura

Uma rede WirelessHART consiste de um dispositivo de campo WirelessHART, pelo menos um gateway WirelessHART, e um gerenciador de rede WirelessHART (em uma rede WirelessHART construída “em cima” de uma rede HART cabeada a estrutura é a mesma que a WirelessHART nativa, bastando acoplar adaptadores de rede sem fio nos dispositivos de campo, no gateway e no gerenciador de rede). Esses componentes são conectados em uma malha de rede sem fio com suporte a comunicação bi-direcional de um host HART para um dispositivo de campo e vice-versa.

3.3.1. Gerenciador 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

• Permite que novos dispositivos sejam conectados à rede

• Ajusta a programação da comunicação dos dispositivos

• Estabelece caminhos de dados redundantes para todas as comunicações

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• Monitora a rede

A arquitetura da malha de rede não restringe onde o Gerenciador de Rede deve residir na rede de automação da planta. O Gerenciador de Rede pode estar localizado em um dispositivo Gateway ou em outro dispositivo do sistema. Há um Gerenciador de Rede por malha. Ele também se comunica como Gerenciador de Segurança para conseguir dados da encriptação e autenticação a fim de manter a segurança da rede.

3.3.2. Gateway

O Dispositivo Gateway conecta a malha de rede com a rede de automação da planta, permitindo a troca de dados entre ambos. O dispositivo gateway fornece o acesso aos dispositivos de WirelessHART por um sistema ou por outra aplicação do host. A figura 23 mostra um exemplo de rede com gateway.

Fig. 23 - Uso do Gateway

3.3.3. Dispositivos de Campo

O dispositivo de campo pode ser um instrumento conectado a processo, um roteador ou um dispositivo portátil (handhelds). A rede WirelessHART conecta estes dispositivos juntos.

Roteador

Um dispositivo usado para melhorar a cobertura de rede (para estender uma rede) capaz de repassar mensagens de outros dispositivos de rede.

Adaptador WirelessHART

Um dispositivo que permite a um instrumento HART cabeado se conectar a uma rede WirelessHART, como mostra a figura 24.

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Fig. 24 - Uso de um adaptador WirelessHART

Dispositivos Handhelds

Dispositivos handhelds são usados na configuração, monitoramento e manutenção dos dispositivos de rede, são portáteis e operados pelo pessoal da planta.

Existem três tipos de dispositivos handhelds:

• Dispositivo handheld HART conectado a loop tradicional

Usado para configuração e instalação inicial dos instrumentos sem fio.

• Dispositivo handheld conectado a WirelessHART (malha)

O dispositivo handheld sem fio é usado para configuração local e suporte a manutenção de procedimentos. Esse dispositivo se junta a uma malha de rede existente, e conseqüentemente passa através dos procedimentos de segurança do WirelessHART, permitindo ao usuário interagir com outros dispositivos de rede (normalmente um dispositivo conectado a processo).

• Dispositivo handheld conectado a rede de automação da planta

O dispositivo handheld se conecta a rede de automação da planta através de outra tecnologia de rede WiFi. Esse dispositivo handheld “fala” com dispositivo WirelessHART através da rede de automação da planta e do gateway do mesmo jeito que o sistema de controle faz.

3.3.4. Dispositivos de Rede

Um dispositivo de rede é um nó em uma malha de rede. Ele pode transmitir e receber dados WirelessHART e executar funções básicas necessárias à formação e manutenção de rede. Dispositivos de rede incluem dispositivos de campo, roteadores, gateways e handhelds de malha.

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3.3.5. Topologia de Rede

As redes de WirelessHART podem ser configuradas em várias topologias diferentes para suportar as várias exigências de aplicações existentes, que incluem o seguinte:

• Rede estrela – tem apenas um roteador que se comunica com vários dispositivos finais. Essa é uma das topologias de rede mais simples. Uma rede estrela pode ser apropriada para pequenas aplicações.

• Malha de rede – é formada por dispositivos de redes onde todos são roteadores. As malhas de rede fornecem uma rede com caminhos de dados redundantes que são capazes de se adaptar às mudanças nos ambientes de RF.

• Malha de rede estrela – é a combinação da rede estrela com a malha de rede.

A figura 25 mostra as três topologias de rede WirelessHART.

Fig. 25 - Topologias WirelessHART

3.3.6. Formação da Rede

Um atributo chave de uma rede WirelessHART é a habilidade de se auto-organizar. Existem três componentes de formação de rede: propaganda, junção e programação de comunicação.

Propaganda –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. 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.

Junção – 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, aceitando o

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dispositivo novo na rede e ajustando os links entre o dispositivo novo e os outros nós existentes.

Programação – 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 a todos os roteadores intermediários com a informação da nova programação.

Uma nova rede começa quando um Gateway (normalmente pedindo ao Gerenciador de Rede) começa a anunciar. Sendo o primeiro dispositivo na rede, o Gateway começa sua própria programação, na qual os outros nós mais tarde se sincronizam.

3.4. Aplicações

Instrumentos WirelessHART fornecem o mesmo nível de informação e diagnóstico remoto do processo que as versões cabeadas (laço 4-20mA). É a independência da infra-estrutura cabeada que oferece a maior flexibilidade quando comparada à instalação mais tradicional do laço 4-20mA.

Isto é particularmente útil quando é necessário monitorar o desempenho de medições críticas para ajudar a aumentar o desempenho da planta, disponibilidade ou quando a medição atualizada é feita manualmente, pois o custo de conexão e medição por cabo é alto.

Em WirelessHART é possível trazer a informação disponível em um dispositivos com fio para um sistema de monitoramento existente por meio de um link sem fio.

3.4.1. Dispositivo de Acesso WirelessHART

As características WirelessHART podem ser acessadas adicionando um adaptador WirelessHART a instrumentos HART 4-20mA já existente, ou utilizando instrumentos construídos para WirelessHART, como pode ser visto na figura 26.

Fig. 26 - Acesso WirelessHART com adaptador e integ rado

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3.4.2. Aplicações Comuns

Algumas aplicações típicas de WirelessHART podem incluir:

• Monitoramento e Controle de Processos

o Os valores do processo são transmitidos sem fio e podem suplementar o sinal 4-20mA.

� Instrumentos Multivariáveis

� Medições Ad-Hoc em curto prazo

� Calibragem de Nível de Tanque

� Melhoramento da Infra-estrutura da Planta/Instrumento

� Controle Supervisório e de Processo Não-Crítico

• Gerenciamento de Ativos

o Condições de diagnóstico e manutenção de dispositivo estão disponíveis ao host

� Suporte ao Dispositivo

� Manutenção

� Diagnóstico

• Saúde-Segurança e Monitoramento Ambiental

o Custo de solução eficaz para medição de saúde-segurança e condições ambientais

� Detectores de Gás

� Efluência da água

� Emissões de Gás

� Válvulas de Escape

� Armadilhas de Vapor

� Chuveiro de Segurança

Monitoramento de Processo

As aplicações a seguir demonstram como WirelessHART pode ser usado para fornecer informações do processo ao host. Em todas as aplicações a seguir, é o valor do processo HART que é transmitido. Entretanto, a escala completa de suporte ao instrumento e as características de gerenciamento de ativos também estão disponíveis remotamente.

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Instrumentos Multivariáveis (Fluxo de Coriolis – Pr essão MV...)

Instrumentos cabeados (4-20mA) podem reportar uma única variável de processo sem as vantagens da comunicação HART. Antigamente, o host requisitava módulos I/O ou dispositivos multiplexadores capazes de passar comandos HART para/de instrumentos de campo.

A solução WirelessHART contorna a dificuldade do recabeamento e do uso de armários repetidores e roteadores oferecendo uma rota sem fio alternativa ao host. O uso de instrumentos WirelessHART nativos fornecem ainda mais flexibilidade nos casos onde o instrumento pode ser auto-alimentado (isto, naturalmente, depende do tipo de instrumento e sensor, com respeito aos requisitos de alimentação).

Vantagens

• Adição de acesso a dados multivariáveis a instrumentos individuais como necessário

• Não há necessidade de recabeamento nos armários de equipamentos para acomodação dos multiplexadores HART

• Medição primária pode ser mantida via sinal 4-20mA enquanto as variáveis de processo digitais são acessadas via WirelessHART

• O HOST utiliza comandos HART padrão, aplicações HART e ferramentas HART para ler as variáveis de processo (Comandos Universais)

• Além da leitura das variáveis de processo remotamente, é possível acessar todas as funções do dispositivo através dos comandos HART. Isto inclui mensagens de diagnósticos e configuração de up/download remotamente.

Nos casos em que as medições primárias requerem uma taxa de atualização rápida (menos de 1 segundo), é preferível que o sinal seja enviado, através de uma conexão cabeada (4-20mA) ao host e este conectado a um adaptador WirelessHART para permitir o acesso aos outros valores do dispositivo.

Gerenciamento de Ativos

Dispositivos WirelessHART oferecem o mesmo suporte ao gerenciamento de ativos que dispositivos HART cabeado. A conexão sem fio oferece acesso a todos os parâmetros do dispositivo sem a necessidade de fiação paralela no armário de equipamentos ou outro cabeamento para conectar sistemas que não possuem interface HART integrada. O mesmo software de gerenciamento de ativos pode ser usado tanto em dispositivos cabeados quanto em dispositivos sem fio.

Suporte, Manutenção e Diagnóstico de Dispositivos

• Configuração

• Gerenciamento da base de dados

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Um dispositivo sem fio pode ser facilmente configurado remotamente usando uma aplicação conectada a um Gateway WirelessHART eliminando a necessidade de se conectar diretamente a um dispositivo de campo através de um dispositivo handheld. A configuração também pode ser feita por meio de um dispositivo handheld sem fio.

Em adição à configuração, aplicações podem oferecer um gerenciamento de base de dados para gravar as configurações do dispositivo e rastrear as mudanças que são feitas ao dispositivo.

Os demais aspectos de Configuração, Integração e Calibração serão vistos no Capítulo 4.

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Capítulo 4 - Aspectos de Configuração

A seguir serão visto os aspectos comuns tanto ao HART cabeado quanto ao WirelessHART, uma vez que a diferença entre ambos dá-se apenas no modo de conexão, com fio ou sem fio. Os equipamentos e procedimentos são adaptados para corresponder ao tipo de conexão do protocolo.

4.1. 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.

4.1.1. Comunicadores Universais Portáteis

Comunicadores HART portáteis são disponibilizados pelos grandes fabricantes de suprimentos para instrumentação ao redor do mundo. Usando arquivos de Descrição de Dispositivo (DD – Device Description), 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/ferramenta de configuração aprovada. Esses itens não requerem o uso de uma DD e são responsáveis pela funcionalidade básica de qualquer instrumento. São os comandos práticos e universais. Para acessar dados específicos do instrumento, é requerida uma DD atual para que o comunicador tenha total acesso às informações específicas do instrumento.

A comunicação com instrumento pode ser feita em qualquer loop de controle. Não precisa ser conectado fisicamente ao instrumento. Em WirelessHART basta que o equipamento esteja no raio de cobertura do sinal de rádio. A figura 27 apresenta alguns comunicadores HART.

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Fig. 27 - Comunicadores HART

4.1.2. Configuração de Instrumento Baseada em PC e Gerenciamento de Ferramentas

Um instrumento HART pode ser configurado por meio de um PC ou laptop utilizando um software aplicativo e um modem HART. As vantagens do uso do PC são: melhor visualização da configuração e suporte a mais DDs e configurações do instrumento devido à maior capacidade de armazenamento de informações. A figura 28 mostra o esquema de ligação de um terminal handheld em uma rede HART cabeada. Nas redes WirelessHART basta que o terminal handheld esteja dentro do raio de cobertura do sinal de rádio.

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Fig. 28 - Exemplo de ligação de um terminal handhel d em uma rede Wired HART

Existem diversos fornecedores de softwares aplicativos. É importante atentar para suas características tais como facilidade de utilização, habilidade de adicionar ou transferir DDs e funcionalidades gerais.

4.2. Integração

Existem várias maneiras de integrar dados HART aos instrumentos de campo inteligentes. A figura 29 mostra um esquema de integração de dados.

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Fig. 29 - Integração de dados

4.2.1. Integração Ponto a Ponto

Essa é a maneira mais comum de usar HART. Conectado a cabos 4-20mA, é possível “interrogar” um instrumento remotamente, conectando-se em qualquer lugar no loop de corrente a fim de se obter informações de diagnóstico e status do instrumento.

4.2.2. Integração HART-para-Analógico

Extratores de sinal comunicam-se com instrumentos HART em tempo real para converter a informação inteligente desses instrumentos em sinal analógico 4-20mA para a entrada em sistemas de controle analógicos existentes.

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4.2.3. Integração HART-mais-Analógico

Multiplexadores HART facilitam a comunicação com instrumentos HART substituindo os painéis de I/O existentes. Seu sinal de controle analógico continua no sistema de controle, mas os dados HART são enviados a um instrumento/sistema de gerenciamento de ativos que fornece informações de diagnósticos 24 horas por dia, 7 dias por semana.

4.2.4. Integração Total HART

Uma comunicação contínua entre o instrumento de campo e o sistema de controle permite detectar automaticamente problemas com os instrumentos, sua conexão ao processo, ou irregularidades no controle do sinal 4-20mA, de modo que a correção do problema possa ser realizada antes que haja qualquer problema à operação do processo.

4.3. Calibração

Todos os instrumentos de campo exigem calibração periódica devido ao modo de funcionamento dos sensores, das técnicas de medição empregadas e à dinâmica das variáveis de processo. O processo da calibração consiste em três etapas ou funções principais, como mostra a figura 30: calibração da variável de processo, ajuste de escala da variável de processo e a produção/desenvolvimento do sinal do processo.

Fig. 30 - Etapas de Calibração dos Instrumentos de Campo

A primeira etapa é geralmente referida como bloco do Transdutor e é responsável por gerar um valor digital exato representando o processo conectado. Nesta etapa, propriedades como limite superior e inferior do transdutor, ponto de caimento, e dados de caracterização do transdutor são empregados para gerar esse valor digital. Em geral, o instrumento de campo é calibrado fornecendo um valor de referência

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traçado próximo aos limites superior e inferior e “aparados” nos cálculos internos a fim de compensar algum erro.

A segunda etapa é referida como bloco de escala. Nesta etapa os valores superiores e inferiores da escala são utilizados para produzir o sinal a partir do valor do transdutor: o valor inferior corresponde ao sinal de 4mA e o valor superior corresponde ao sinal de 20mA. Além disso, uma função de transferência apropriada (por exemplo: linear, raiz quadrada, etc.) pode ser aplicada. A função de raiz quadrada, por exemplo, é usada para aproximar uma medida do fluxo de uma medida da pressão diferencial. É importante notar a diferença na calibração e na escala de um instrumento de campo.

A terceira etapa, executada pelo bloco de DAQ, tem como função produzir realmente o sinal analógico 4-20mA, assegurando que 0% é exatamente igual a 4 mA e 100% a 20mA. A função mais crítica do instrumento de campo, de uma perspectiva do sistema, é produzir um sinal que esteja de acordo com sistema de controlo como correspondente ao valor do processo.

4.4. Linguagem de Descrição de Dispositivo (DDL)

4.4.1. O que é descrição de dispositivo?

Uma Descrição de Dispositivo ou DD é um arquivo eletrônico de dados preparado de acordo com as especificações da Linguagem de Descrição de Dispositivo que descreve as características e funções específicas de um dispositivo incluindo detalhes de menus e características de visualização gráfica a serem usados pelas aplicações do host (incluindo dispositivos handhelds) para acessarem todos os dados e parâmetros do dispositivo correspondente. Uma DD é um arquivo de texto independente do sistema operacional. A DD armazena informações do dispositivo.

4.4.2. DDL – A HTML da Tecnologia de Campo

O protocolo HART opera em ambiente host/escravo onde um instrumento é inquirido e responde ao host. Todos os dispositivos HART devem ter um conjunto mínimo de comandos para o seu funcionamento. Esses comandos são chamados Comandos Universais . Os dispositivos também podem ter comandos opcionais chamados Comandos Práticos Muitos dispositivos implementam comandos específicos do fabricante chamados Comandos Específicos do Dispositivo . A DD (Descrição de Dispositivo) permite o acesso a todos os comandos. Os sistemas host cientes da DD podem, então usar os dados e mostrá-los como o usuário desejar.

DDL é uma linguagem para descrição de dispositivos. Uma descrição de dispositivo (DD) é armazenada como um arquivo de texto. Similar a apresentação de HTML que

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é independente do sistema operacional ou navegador, uma DD é exibida com uma aplicação DD.

Uma DD serve como uma base de informação versátil e pode ser usado para executar as seguintes tarefas:

Engenharia

• Configuração de redes, gateways e I/Os remotas • Importar/Exportar dados do dispositivo • Upload/Download • Configuração offline • Comparação de parâmetros

Perfis de Usuário

• Para o engenheiro de manutenção reduzir o acesso aos parâmetros do dispositivo

• Para o especialista ter total acesso aos parâmetros do dispositivo • Para perfis de usuário específicos do dispositivo

Gerenciamento e Manutenção

• Ajuste de endereços • Visualização dos dados do processo • Simulação • Ajuste e Calibração • Configuração online • Identificação dos dispositivos

Gerenciamento de Ativos

• Estado do dispositivo para manutenção, reparo e remoção por falha

4.4.3. Os componentes de uma DD

A primeira parte de uma DD contém informações sobre o fabricante, o tipo do dispositivo, a revisão do dispositivo e a revisão da DD. Isto é usado para identificação e controle da versão. A parte principal contém a descrição da interface do usuário, os dados e a comunicação.

Descrição da interface com o usuário

O uso da interface com o usuário é definido com menu de descrições, conforme mostra a figura.

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Fig. 31 - Interface com o usuário

4.4.4. DDL – Uso e Benefícios

Uso de dispositivos que são descritos com DDL

• Indústrias de processos e manufaturas com muitas filiais • Para manutenção, reparo e remoção de falhas em plantas • Para grandes instalações e uso único de dispositivo • Para dispositivos simples e complexos • Classes de dispositivos

o Sensores (pressão, temperatura, fluxo, nível, análise de líquido e gás) o Atores (posicionadores, sistemas de gerenciamento de motores,

chaves) o I/Os remotas o Gateways com protocolos de comunicação padrão

Benefícios para:

Consumidor

• Unificação o Interface do usuário o Guia do usuário o Suporte a multi-linguagem o Integração de dispositivo o Ajuda consistente online ao dispositivo

• Baixo custo para treinamento do usuário • Segurança de operação • Disponibilidade a muitos dispositivos • Proteção do investimento • Uma única ferramenta para todos os usos e dispositivos • Validação de todas as entradas • Qualidade de alto nível • Baixo custo de manutenção • Redução dos custos totais

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Fabricante do dispositivo

• Apropriado para dispositivos simples e complexos o Desenvolvimento eficiente de DD o Fácil de aprender (o desenvolvedor do dispositivo pode implementar

sua própria DD) o Pelo uso de DDs, dicionários e padrões já existentes o Pelo suporte a geração de ajuda online o A DD e o dispositivo podem ser testados com a aplicação DD

• Proteção do Investimento o Padrão EDD estável o Independência de sistema operacional o Fácil expansão o Redução de custos

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Capítulo 5 - Conclusão

HART tem como característica principal a transmissão de sinais digitais juntamente com o sinal analógico, em um único equipamento. Essa característica de comunicação híbrida, aliada a grande variedade de instrumentos e suplementos compatíveis com HART, faz deste protocolo uma opção bastante viável no que diz respeito à migração e atualização de plantas para o padrão de comunicação digital de campo, sobretudo com o advento das redes sem fio

O HART possibilita aos seus usuários grande parte dos mesmos benefícios oferecidos por outros padrões (como Fieldbus, por exemplo), ao mesmo tempo em que mantém a compatibilidade e a familiaridade com os sistemas existentes de 4-20 mA. O HART permite os benefícios econômicos da comunicação remota, a flexibilidade e a precisão da comunicação de dados digital, o diagnóstico dos instrumentos de campo e o uso de poderosos instrumentos com múltiplas variáveis, sem que haja a necessidade de trocar sistemas inteiros, nem mesmo em WirelessHART, uma vez que ele é totalmente compatível com o padrão cabeado, devido à possibilidade de uso e configuração adaptados.

Com base no que foi visto ao longo deste documento, podemos inferir que HART torna-se uma boa opção de migração/atualização, uma vez que possibilita que plantas e projetos baseados em sistemas analógicos 4-20mA façam uso das vantagens do maior controle das variáveis e funções do instrumento, que o controlo digital de instrumentação oferece, sem que seja necessário trocar todos os equipamentos, abrindo espaço, inclusive para a nova – e poderosa – tendência que é a comunicação sem fio, permitindo a integração de outros equipamentos, como PDA’s, Smartphones, Laptops, reduzindo custos e facilitando a manutenção da planta.

É importante ressaltar que as “vantagens” do uso do protocolo HART dependem do tipo do projeto em questão. A relação custo x benefício da implantação de HART em um sistema analógico já existente é diferente da implantação de um novo projeto, partindo do “zero”. Neste caso, outras tecnologias de comunicação digital devem ser consideradas.

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Referências Bibliográficas

[1] SMAR – Protocolo de Comunicação HART®Tutorial HART® - http://www.smar.com/brasil2/hart.asp

[2] BOWDEN, Romilly, Romilly's HART® and Fieldbus Web Site -

http://www.romilly.co.uk

[3] HART® Communication Foundation - http://www.hartcomm2.org/index.html

[4] OLIVEIRA, Luiz Affonso H Guedes de; http://www.dca.ufrn.br/~affonso/

[5] VUNDA, Flávio José, 2005, “Protocolo de Comunicação IEEE 802.15.4 e ZIGBEE”; http://www.pucrs.br/feng/tcc/eletrica/2005_1_168_trabalho.pdf