O protocolo digital HART
César Cassiolato - Diretor de Marketing - [email protected]
SMAR Equipamentos Industriais Ltda
Introdução
Atualmente muito se fala em termos de redes fieldbus mas temse 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 4-20mA para a parametrização e monitoração das
informações.
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 sob um resistor sensor de corrente. A
corrente de loop varia de 4 a 20mA para freqüências usualmente
menores que 10 Hz.
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:
•
•
•
•
•
•
•
•
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;
500ms de tempo de resposta(com até duas transações);
Totalmente aberto com vários fornecedores;
As especificações continuamente são atualizadas 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
Figura 01 - Loop de corrente convencional
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 possui 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
mostrado 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,
uma vez que os componentes adicionados são acoplados em AC.
O amplificador de recepção freqüentemente é considerado como
parte do modem e usualmente não é mostrado separadamente. Na fig.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.
As figuras 1 e 2 nos mostram como entender o HART facilmente.
SMAR Equipamentos Industriais Ltda | www.smar.com.br
Figura 03 - Sinal HART
Figura 02 - Loop de corrente acrescido o HART
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 freqüência 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 um tensão de aproximadamente 500mV 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 fig.2
que é que o mestre transmita como fonte de tensão enquanto o
escravo, como fonte de corrente.A figura 3 mostra 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 freqüência(Frequency Shift keying),
onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200
Hz, representa o 0 binário.Note que estas freqüências estão bem
acima da faixa de freqüências 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 mostra 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
Figura 04 - Conexão de equipamentos mestres HART
da figura 4, 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 utilizar-se 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 com vários
equipamentos(mais do que 1000), todos com endereços zero.
SMAR Equipamentos Industriais Ltda | www.smar.com.br
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.
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 poscionadores são conectados em série no loop de corrente
com endereços diferentes e o host será capaz de distingui-los via
comunicação.Veja figura 6.
No modo multidrop a corrente fica fixa em 4mA, servindo apenas
para energizar os equipamentos no loop.
Figura 06 - Conexão HART com técnica split-range
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 pontoa-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 05 - Conexão HART via multiplexador
Figura 07 - Formato short e long de endereços no HART
Figura 05a - Conexão HART em Multidrop
SMAR Equipamentos Industriais Ltda | www.smar.com.br
As camadas(layers) do HART
O HART foi desenvolvido segundo o modelo OSI, de acordo com
a figura 8. O meio físico
•
•
•
•
Figura 8 – Modelo do protocolo HART segundo o modelo OSI
Como visto anteriormente, o HART se utiliza do sinal de 4-20mA,
sobrepondo um sinal em técnica FSK, chaveamento por mudança
de freqüência(Frequency Shift keying), onde a freqüência 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 já 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.Segue algumas dicas de distribuição do
cabeamento, aterramento e shield (blindagem):
•
•
•
•
•
•
•
Para curtas distancias, pode-se usar cabos com 0,2 mm2 e
sem shield.
Para distancias até 1500m, recomenda-se usar cabos de par
trançados com 0,2 mm2 e com shield.
Para distancias até 3000m, 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 freqüência.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.Deve-se evitar múltiplos terras.
Evitar loops de terra: quando se tem vários equipamentos
aterrados a um terra comum por caminhos diferentes, criando 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 detensão do ruído e quão próxima for a freqüência do ruído da
freqüência 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. Normalmente, o problema resultante deste tipo de falha de instalação, em plantas
operando normalmente, não será aparente, e caso ocorra um
desbalanceamento de terra, o problema trará conseqüências
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.
SMAR Equipamentos Industriais Ltda | www.smar.com.br
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. Inclusive existe um
controle de tempo entre mestres quando se tem dois mestres no
barramento.
•
•
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: contem 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 = 0.83ms
o tempo total de transação é de = 385*0.83ms = 0.319s
o tempo de transação do 25 bytes(dados de usuário) é =
0.319s/25 = 12.8ms
A relação entre o tempo de dados de usuário e o tempo total de
transação é: 25 * 8 bits / 385 bits = 52 %.
Figura 9 – Modelo de comunicação Mestre-Escravo de
troca de dados no HART
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
75ms envia na linha o valor de processo medido.Normalmente, tem-se duas transações por segundo.Neste modo, podese ter quatro por segundo.
Observe que em mensagens mais curtas, a proporção entre o
dado de usuário e o dado de controle pode chegar a 128ms para
um byte de dado de usuário.Em geral, tem-se um tempo de 500ms
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.
Figura 10 – Frame padrão de um comando HART.
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.
Figura 11 – Comandos Universais
SMAR Equipamentos Industriais Ltda | www.smar.com.br
Um exemplo de equipamento HART
A figura 14 mostra o diagrama funcional do LD301, segundo os
padrões HART:
Vejamos a figura 12, onde temos o diagrama de blocos do transmissor de pressão LD301 da Smar.
Figura 14 – Diagrama funcional do LD301
Figura 12 – Transmissor de Pressão HART/4-20mA
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 exigi-se
exatidão e confiabilidade. Não possui conversor A/D e a leitura
dos sinais de capacitâncias é totalmente digital(a Smar utiliza 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, possui um co-processador 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 permite que este transmissor
de pressão possua somente uma placa eletrônica, facilitando manutenção e controle de estoque, já 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 13 a 16.
Figura 15 – Uso do LD301 como controlador, dispensando o uso do
controlador
Figura 16 – Recursos de diagnose facilitando a manutenção
Figura 13 – Super Chip HART – HT3012 – Smar
Para conhecer a linha completa de equipamentos de campo Smar
acesse: www.smar.com.br
SMAR Equipamentos Industriais Ltda | www.smar.com.br
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 17 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 permite ao usuário executar manutenção,
calibração, monitoramento de status do sensor, status geral do
equipamento, dentre outras informações.
Figura 18 – Utilização de FDT e DTM com o HART
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 quê 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.
Referências:
•
•
•
Material de treinamento LD301 Smar, César Cassiolato, 2003.
Manuais de equipamentos HART Smar.
www.smar.com.br
Figura 17 – Integração Foundation Fieldbus e HART usando o HI302
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 permite
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 18 mostra um configurador
baseado nesta tecnologia e o DTM do LD301.
SMAR Equipamentos Industriais Ltda | www.smar.com.br