Introdução ao hart - protocolo de comunicação de transdutor remoto endereçável em rodovia

Os benefícios de se obter duas máquinas (ou componentes dentro delas) para se comunicarem têm sido óbvios para os especialistas em automação e controle industrial, muito antes de a Internet das Coisas (IoT) se tornar dominante. Os valores em um sensor de temperatura no centro de um virabrequim enviando medições para controlar o relé de acionamento do motor, etc. eram claros, e um dos protocolos de comunicação usados ​​para alcançar isso era o protocolo HART.

Com mais de 30 milhões de dispositivos baseados nele, instalados em todo o mundo, o protocolo HART é considerado o protocolo mais popular em automação industrial e o artigo de hoje fornecerá uma visão geral do que o torna tão especial. Examinaremos seus recursos, aplicativos e versões atualizadas como o WirelessHART.

Visão geral

O protocolo Highway Addressable Remote Transducer (HART) é um dos mais populares protocolos de comunicação abertos usados ​​em automação industrial para enviar e receber informações digitais por meio de fiação analógica entre dispositivos inteligentes e sistemas de controle. Este protocolo é um avanço do Protocolo de Comunicação Serial como o RS485 e evento para o qual também é popularmente usado nas indústrias.

Foi desenvolvido pela Emerson na década de 1980 como um protocolo de comunicação proprietário para resolver os defeitos no protocolo de comunicação 4-20 mA existente , que só podia transmitir um parâmetro ou valor medido. Com o HART, os esforços de automação industrial podem alcançar comunicações bidirecionais que corrigem as desvantagens do 4-20 mA, mas também retêm sua infraestrutura, uma vez que o protocolo HART pode enviar sinais digitais sobrepondo-os aos sinais analógicos sem distorção ou interferência.

O efeito do acima exposto é a criação de dois canais de comunicação simultâneos: o sinal analógico 4-20mA e um sinal digital. Essa combinação é o motivo pelo qual o protocolo é conhecido como Protocolo Híbrido. As aplicações típicas, como dispositivos de instrumentação, podem usar o sinal de 4-20 mA para enviar o valor medido primário e usar o sinal digital sobreposto para enviar informações.

O suporte para dispositivos baseados em 4-20 mA significa que as empresas podem continuar usando seu hardware legado. Isso, junto com o protocolo se tornando "Aberto", elevou os níveis de adoção do protocolo, até que se tornou o padrão de fato na indústria

Funcionamento do protocolo de comunicação HART

A comunicação HART ocorre entre dois dispositivos habilitados para HART, normalmente um dispositivo de campo inteligente e um sistema de controle ou monitoramento. Conforme descrito anteriormente, os dispositivos baseados no protocolo transmitem o sinal analógico usando a abordagem existente de 4-20 mA e sinais digitais sobrepondo o sinal (como um sinal de corrente alternada) no sinal analógico de 4-20 mA, usando o Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) padrão.

O procedimento FSK envolve a sobreposição de ondas senoidais de duas frequências, normalmente 1200 Hz e 2200 Hz, que representam os bits (1 e 0 respectivamente) dos dados sendo enviados. O uso do FSK garante que o valor médio das duas frequências seja sempre zero, garantindo que o sinal analógico não seja afetado pelo sinal digital.

Modos de configuração de rede

Para atender às necessidades de vários aplicativos, os dispositivos no protocolo HART podem ser configurados para operar em dois modos principais;

1. Modo Ponto a Ponto
2. Modo Multi-Drop

1. Modo de rede ponto a ponto

No modo ponto a ponto, os sinais digitais são sobrepostos na corrente de loop de 4–20 mA de forma que tanto a corrente de 4–20 mA quanto o sinal digital possam ser usados ​​para transmitir mensagens entre o mestre e o escravo. Isso representa a aplicação típica do protocolo, com variáveis ​​e dados secundários, que podem ser usados ​​para fins de monitoramento, manutenção e diagnóstico, sendo trocados pelos sinais digitais enquanto os sinais de controle são enviados pela metade analógica do protocolo. Uma ilustração da configuração da rede ponto a ponto é fornecida na imagem abaixo.

2. Modo de rede multiponto

O modo de configuração de rede Multi-Drop permite que vários dispositivos sejam conectados no mesmo par de fios de maneira semelhante aos protocolos baseados em endereço como o i2c. A comunicação no modo multiponto é totalmente digital, já que a comunicação por meio da corrente de loop analógico é desabilitada, uma vez que a corrente por meio de cada um dos dispositivos é fixada em um valor mínimo apenas o suficiente para a operação do dispositivo (normalmente 4mA). As configurações de rede multiponto são normalmente usadas em aplicações de controle de supervisão que são amplamente espaçadas, como em fazendas de tanques e dutos. A configuração da rede Multi-Drop é ilustrada na imagem abaixo.

Modos de Comunicação

Geralmente, para comunicações sob o protocolo HART, um dispositivo na rede, geralmente um sistema de controle distribuído ou PLC, deve ser designado como Mestre, enquanto outro (s), geralmente dispositivos de campo como sensores ou atuadores, são designados como escravos.

No entanto, a maneira como os escravos se comunicam com o mestre depende do modo de comunicação para o qual a rede está configurada. Uma rede de dispositivos compatíveis com o protocolo HART pode ser configurada para se comunicar em dois modos, a saber;

1. Modo de comunicação de solicitação-resposta
2. Modo Burst

1. Modo de comunicação de solicitação-resposta

No modo de comunicação de solicitação-resposta, os dispositivos escravos transmitem informações apenas quando uma solicitação é emitida pelo dispositivo mestre. Embora este modo tenha suas desvantagens, especialmente a velocidade de comunicação reduzida (2-3 atualizações de dados por segundo), ele ajuda a manter o protocolo simples, eficaz e fácil de implementar.

2. Modo Burst

Para abrir espaço para a variação nos requisitos da aplicação, o protocolo tem outro modo de comunicação denominado modo “Burst”. Neste modo, os dispositivos escravos podem enviar uma única informação, continuamente, sem a necessidade de solicitações repetidas do mestre. Este modo oferece uma velocidade de comunicação mais rápida com até 3-4 atualizações por segundo e é normalmente usado em cenários onde mais de um dispositivo HART é necessário para ouvir a comunicação do Loop HART.

Para permitir o monitoramento externo, desejado para a maioria das aplicações industriais, ambos os modos de comunicação suportam até dois mestres definidos como primário e secundário. O mestre primário, como ilustrado na imagem acima, é geralmente o sistema de controle / monitoramento principal, enquanto o mestre secundário é geralmente um dispositivo como terminais portáteis, também conhecido como comunicador HART, que é conectado ao circuito HART apenas por um curto período.

Benefícios

Algumas das vantagens do protocolo HART sobre outros em sua classe incluem;

1. Comunicação bidirecional

A utilização de um sinal analógico de 4 a 20 mA, por exemplo, permite o fluxo de informações em apenas uma direção (do transmissor ao receptor). Com a comunicação HART, os dados podem viajar em ambas as direções.

2. Novos tipos de informação

Canais de comunicação tradicionais como o 4-20mA permitem a comunicação de apenas uma única variável de processo sem espaço para validação, mas com o HART, você pode obter até 40 informações adicionais junto com a variável de processo.

Alguns exemplos de informações adicionais que podem ser obtidas em dispositivos baseados em HART incluem;

1. Status do dispositivo e alertas de diagnóstico
2. Variáveis ​​e unidades de processo
3. Corrente de Loop e% Faixa
4. Parâmetros de configuração básicos
5. Marca de fabricante e dispositivo

Usando uma combinação dessas informações extras, os dispositivos HART podem relatar problemas com sua configuração ou operações para o dispositivo mestre / host. Isso ajuda a reduzir a necessidade de exames de rotina e pode ser muito útil para manutenção preditiva.

3. Dispositivos multivariáveis

No modo digital, um único par de fios pode lidar com várias variáveis. Por exemplo, um transmissor pode lidar com entradas de vários sensores

4. Independência do fornecedor

Tudo relacionado ao HART foi entregue por Emerson à HART Communications Foundation, como tal, os padrões são abertos e não específicos para um fornecedor. Isso significa que não há perigo de ficar preso a "padrões" regionais ou específicos de um fornecedor.

5. Abastecimento

O HART é atualmente considerado o protocolo com mais suporte para a indústria de processos em todo o mundo. É tão popular que a probabilidade de um dispositivo industrial ser compatível com HART é quase 1.

6. Interoperabilidade

Dispositivos compatíveis com HART e sistemas host podem funcionar juntos independentemente do fornecedor, modelo e outros problemas de compatibilidade / interoperabilidade que afetam as redes. Mesmo os dispositivos host que não foram projetados para lidar com as informações digitais de um dispositivo HART ainda terão algum nível de interoperabilidade com as comunicações por meio do sinal analógico de 4-20 mA.

WirelessHART

O protocolo HART evoluiu ao longo dos anos com avanços na tecnologia e maior sofisticação dos casos de uso. Um dos produtos mais recentes de sua evolução é uma nova tecnologia chamada WirelessHART, que está oferecendo possibilidades completamente novas com a transmissão sem fio de Informações HART.

É o primeiro protocolo de comunicação sem fio padronizado (IEC62591) no campo de automação de processos. Ao contrário do protocolo HART regular, ele, neste estágio, só oferece suporte à comunicação por meio do sinal digital, pois a comunicação analógica não é fornecida porque nenhum cabo de conexão é usado.

Atualmente, existem duas soluções WirelessHART diferentes, incluindo;

1. Um adaptador WirelessHART para aprimorar os dispositivos HART existentes
2. Um transmissor WirelessHART com alimentação própria.

O WirelessHART pode ser usado em instrumentos com fio existentes para coletar a vasta quantidade de informações que estavam anteriormente retidas no instrumento e também fornece uma maneira econômica, simples e confiável de implantar novos pontos de medição e controle sem os custos de fiação.