Protocolo HART: Arquitetura, Funcionamento e Suas Aplicações

Atualmente em automação industrial , diferentes tipos de dispositivos de campo inteligentes são utilizados, mas o monitoramento de cada dispositivo é muito difícil dentro da indústria por autoridades ou engenheiros de campo. Portanto, geralmente, esse tipo de monitoramento é realizado com dispositivos inteligentes, que permitem a transferência de dados entre diferentes dispositivos conectados dentro e fora da indústria para o principal sistema de monitoramento. Assim, o protocolo HART foi introduzido em 1980 e se baseia nos padrões Bell 202. Este protocolo tornou-se um padrão da indústria, tão usado na automação industrial. Assim, este artigo apresenta uma visão geral do protocolo HART – trabalhar com aplicativos.

O que é o protocolo HART?

O termo HART no protocolo HART significa “Highway Addressable Remote Transducer”, que é um protocolo padrão aberto usado em todo o mundo para transmitir e receber dados digitais com fiação analógica entre dispositivos inteligentes e sistemas de controle . Este protocolo é muito popular, portanto, mais de 30 milhões de dispositivos em todo o mundo são alimentados com o protocolo HART. Este protocolo é usado para estabelecer comunicação entre sistemas host, bem como dispositivos de campo inteligentes em indústrias.

O protocolo HART ganhou mais popularidade devido à sua capacidade de suportar o protocolo analógico mais antigo baseado em 4-20 mA, incluindo as principais vantagens da instrumentação digital inteligente.
Este protocolo descreve a tecnologia de conexão física e também os comandos utilizados por diferentes aplicativos. Os comandos Hart são de três tipos: Universal, Common Practice e Device Specific.
Os comandos do tipo universal são implementados em todos os dispositivos HART. Esses comandos são usados ​​principalmente por um controlador para identificar um dispositivo de campo, bem como ler os dados do processo.

Os comandos do tipo Common Practice são usados ​​para descrever diferentes funções que normalmente são aplicáveis ​​apenas a dispositivos de campo. Esses dispositivos incluem comandos para alterar a faixa, escolher unidades de engenharia e executar autotestes.

Os comandos de tipo específico de dispositivo não são os mesmos para todos os dispositivos. Esses comandos executam funções exclusivas de configuração e modificação. Portanto, é muito significativo observar que quando dispositivos de vários fabricantes implementam funcionalidades semelhantes externamente. Por exemplo, a medição de pressão diferencial pode incluir hardware completamente diferente e também diferentes conjuntos de comandos específicos do dispositivo.

Arquitetura do protocolo HART

O protocolo HART opera em duas configurações de rede, como ponto a ponto e multiponto, que são discutidas abaixo.

Configuração de rede ponto a ponto

Na configuração de rede ponto a ponto, para comunicar uma única variável de processo, o sinal fixo de 4 a 20 mA é utilizado enquanto variáveis ​​de processo extras e parâmetros de projeto são transmitidos digitalmente com o protocolo HART. Assim, o sinal analógico de 4–20 mA não é alterado pelo sinal HART e pode ser utilizado de maneira normal. O sinal digital de comunicação HART fornece o direito de entrada para variáveis ​​secundárias e outros dados podem ser utilizados para fins de manutenção, comissionamento, operações e diagnóstico.

Configuração de rede multiponto

Esta configuração de rede permite que vários dispositivos sejam conectados com um único par de fios. A comunicação dentro desta configuração é totalmente digital, pois a comunicação em toda a corrente do loop analógico é desabilitada, pois a corrente em todos os dispositivos é fixada em um valor mínimo suficiente para operação do dispositivo normalmente 4mA.

Como funciona a comunicação HART?

O protocolo de comunicação HART usa o padrão Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) para sobrepor sinais digitais que são representados com duas frequências diferentes, como 1.200 Hz e 2.200 Hz. Aqui, a frequência de 1.200 Hz representa o bit 1, enquanto a frequência de 2.200 Hz representa o bit 0 correspondentemente.

Quando ondas senoidais com essas frequências são colocadas em cabos de sinal analógico CC, ocorre a transferência de dados. Assim, durante esta transferência de dados, o sinal de 4-20 mA não é afetado devido ao valor padrão de um sinal de chaveamento de mudança de frequência equivalente a zero. Este protocolo suporta simultaneamente dois canais de comunicação como sinal analógico de 4-20 mA e sinais digitais.

O sinal analógico comunica o valor medido primário com o circuito de corrente de 4-20 mA, enquanto os dados adicionais do dispositivo são comunicados através de um sinal digital que é sobreposto ao sinal analógico.
O sinal digital inclui as informações do dispositivo como a condição do dispositivo, diagnósticos, valores calculados, etc. Assim, juntos, os dois canais de comunicação oferecem uma solução de comunicação muito robusta e de baixo custo, muito simples de utilizar e configurar. Este protocolo é frequentemente chamado de protocolo híbrido porque combina comunicação analógica e digital.

A tecnologia HART é diferenciada como protocolo mestre/escravo porque o dispositivo escravo só funciona quando um dispositivo mestre é conectado a ele. Aqui, o dispositivo escravo é um dispositivo inteligente e o dispositivo mestre é um computador.

Modos do protocolo HART

Geralmente, para comunicação dentro do protocolo HART, o dispositivo usado dentro da rede é o PLC ou sistema de controle distribuído que é escolhido como Mestre, enquanto outros dispositivos de campo são considerados escravos como sensores ou atuadores. Mas aqui a comunicação entre mestre e escravo depende principalmente do modo de comunicação para o qual o sistema está organizado. A rede do protocolo HART se comunica em dois modos, como modo mestre/escravo e modo de rajada.

Modo Mestre/Escravo

Esse modo também é conhecido como modo de solicitação-resposta. Nesse tipo de modo, os dispositivos escravos simplesmente transmitem dados assim que uma solicitação do dispositivo mestre é emitida. Para cada loop HART, dois mestres podem ser conectados. Portanto, o mestre primário é normalmente um DCS (sistema de controle distribuído), PC (computador pessoal) ou PLC (controlador lógico programável), enquanto o mestre secundário é outro PC ou um terminal portátil. Dispositivos escravos são atuadores, controladores e transmissores que reagem aos comandos dos dispositivos mestres.

Modo de rajada

Alguns dispositivos habilitados para protocolo HART simplesmente suportam este modo de comunicação. Este modo permite uma comunicação mais rápida, como três a quatro atualizações de dados por segundo. O dispositivo mestre neste modo instrui o dispositivo escravo a transmitir continuamente uma mensagem de resposta HART típica. O mestre recebe a mensagem em alta velocidade até que ordene ao escravo que pare de estourar. Este modo é aplicável quando o dispositivo HART acima é necessário para se comunicar a partir do HART Loop.

Protocolo HART vs Modbus

A diferença entre o protocolo HART e Modbus inclui o seguinte.

Vantagens

o vantagens do protocolo HART inclui o seguinte.

• Os dispositivos que são habilitados pelo protocolo HART simplesmente permitem que os usuários façam com que o dispositivo use os melhores dados para otimizar suas habilidades operacionais.
• Ele diminui os tempos de inatividade devido à falha do equipamento, reconhecendo os problemas potenciais antes que eles aconteçam.
• Reduz os custos de inventário e manutenção dos dispositivos.
• Diminui os tempos de espera para reconhecimento e resolução de problemas.
• Ele aumenta os níveis de integridade de segurança usando diagnósticos avançados.
• Os benefícios de escolher o protocolo HART incluem principalmente; capacidade digital, capacidade analógica, disponibilidade e interoperabilidade.
• Este protocolo também pode ser utilizado com diferentes dispositivos e sensores.
• Os dispositivos baseados em protocolo HART são amplamente aceitos nas indústrias.
• Este protocolo aumenta a disponibilidade do sistema, a regularidade do progresso, etc.

Desvantagens

o Desvantagens do protocolo HART inclui o seguinte.

• O sinal digital na transmissão HART é bastante lento.
• Para um arranjo multi-drop, o sinal analógico não é acessível e o no. de dispositivos que podem dividir a linha de transmissão é restrito.
• Ele pode monitorar uma variável de processo apenas a qualquer momento.
• Este tipo de protocolo é um pouco lento em comparação com outros sistemas Fieldbus como Profibus & Foundation Fieldbus. Portanto, esse tempo de resposta lento causa algumas dificuldades em algumas aplicações industriais.
• Geralmente, a velocidade do protocolo HART é suficiente para sistemas de monitoramento simples onde as variáveis ​​do processo não variam rapidamente.

Formulários

o aplicações do protocolo HART inclui o seguinte.

• O protocolo HART é usado em todo o mundo para transmitir e receber dados digitais com fiação analógica entre dispositivos inteligentes e sistemas de controle.
• Este é um protocolo muito popular usado na automação industrial.
• Este protocolo é principalmente para analisar dispositivos inteligentes.
• Isso é amplamente utilizado em sistemas de processo e instrumentação.
• Esse tipo de protocolo de comunicação é ideal para instrumentos multivariáveis ​​que incluem medidores de vazão mássica onde quer que vazão volumétrica, vazão mássica, densidade e temperatura possam ser comunicadas ao sistema de controle por meio de um único cabo.
• Este protocolo é projetado principalmente para uso em aplicações de medição e controle de processos industriais.
• O protocolo HART é usado principalmente em indústrias de processo para comunicação entre diferentes dispositivos.

Assim, este é um funcionamento do protocolo HART . Este protocolo é o padrão global usado para transmitir e receber dados digitais através de fios analógicos entre dispositivos de campo inteligentes, bem como sistemas de monitoramento ou controle, como sistemas DCS e PLC. Este protocolo de comunicação bidirecional simplesmente fornece o direito de entrada de dados adicionais entre o campo e o controlador host, desde um dispositivo portátil até um sistema de gerenciamento de ativos ou controlador de planta. Aqui está uma pergunta: Qual é a forma completa do protocolo HART?