Rede Industrial Hart

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Autor: Constantino Seixas Filho

Introdução ao Protocolo HART

Capítulo R6

Autor: Constantino Seixas Filho

Introdução:

O protocolo Hart foi introduzido pela Fisher Rosemount em 1980. Hart é um acrônimo de “Highway Addressable Remote Transducer”. Em 1990 o protocolo foi aberto à comunidade e um grupo de usuários foi fundado.

A grande vantagem oferecida por este protocolo é possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4-20 mA tradicionais. Como a velocidade é baixa, os cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos. Os dispositivos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados smart.

O sinal HART

O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency Shift Key) e é sobreposto ao sinal analógico de 4..20 mA. Para transmitir 1 é utilizado um sinal de 1 mA pico a pico na freqüência de 1200 Hz e para transmitir 0 a freqüência de 2400 Hz é utilizada. A comunicação é bidirecional.

Figura 1: Sinal Hart sobreposto ao sinal 4..20 mA

Este protocolo permite que além do valor da PV outros valores significativos sejam transmitidos como parâmetros para o instrumento, dados de configuração do dispositivo, dados de calibração e diagnóstico.

O sinal FSK é contínuo em fase, não impondo nenhuma interferência sobre o sinal analógico. A padronização obedece ao padrão Bell 202 Frequency Shift Keying.

Autor: Constantino Seixas Filho

Topologia

A topologia pode ser ponto a ponto ou multi drop. O protocolo permite o uso de até dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre secundário é geralmente representado por terminais hand-held de configuração e calibração. Deve haver uma resistência de no mínimo 230 ohms entre a fonte de alimentação e o instrumento para a rede funcionar. O terminal handheld deve ser inserido sempre entre o resistor e o dispositivo de campo conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2: Conexão de uma entrada a um instrumento HART [Berge 2002]

O resistor em série em geral já é parte integral de cartões de entrada de controladores single loop e cartões de entrada de remotas e portanto não necessita ser adicionado. Outros dispositivos de medição são inseridos em série no loop de corrente, o que causa uma queda de tensão em cada dispositivo.

Para a ligação de dispositivos de saída a uma saída analógica, não é necessário um resistor de shunt.

Figura 3: Conexão de uma saída HART

Fonte de

Alimentação AI Resistor

Terminal Portátil

Terminal Portátil

Autor: Constantino Seixas Filho

Figura 4 Protocolo HART com dois mestres Figura 5: Configurador HART: HPC301 e HP311 HART Pocket Interface

Figura 6: Terminal de calibração multifunção Fluke 744 e calibrador de loop de corrente Fluke 707 para instrumentos HART.

Autor: Constantino Seixas Filho

Modos de Comunicação

O protocolo HART pode utilizar diversos modos de comunicação. O modo básico é o mecanismo mestre-escravo. Cada ciclo de pedido e recebimento de valor dura cerca de 500 ms, o que implica na leitura de dois valores por segundo.

Figura 7: Comunicação HART em modo mestre escravo (default)

Na topologia ponto a ponto um segundo mecanismo de transferência de dados é possível. O instrumento pode enviar de forma autônoma e periódica o valor de uma variável, por exemplo a PV. No intervalo entre estes envios o mestre pode executar um ciclo de pergunta e resposta. A taxa de transmissão neste caso se eleva para 3 ou 4 por segundo. Este modo é denominado burst ou broadcast mode. O mestre pode enviar uma mensagem para interromper este envio contínuo de mensagens de reply, segundo sua conveniência. Cada mensagem pode comunicar o valor de até quatro variáveis. Cada dispositivo HART pode ter até 256 variáveis.

Figura 8: Comunicação HART em modo, suportada por alguns dispositivos

Autor: Constantino Seixas Filho

Quando usando uma topologia do tipo multidrop, a rede HART suporta até 15 instrumentos de campo. Apenas o modo mestre escravo pode ser utilizado. Neste caso o valor da corrente é mantido no seu nível mínimo de 4 mA e o valor da PV deve ser lido através de uma mensagem explícita.

Figura 9: Rede HART em topologia multidrop

A grande deficiência da topologia multidrop é que o tempo de ciclo para leitura de cada device é de cerca de meio segundo podendo alcançar um segundo. Neste caso para 15 dispositivos o tempo será de 7,5 a 15 segundos, o que é muito lento para grande parte das aplicações.

Cabos

sinal HART

A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000 m com cabo com um par trançado blindado e de 1500 m com cabo múltiplo com blindagem simples. Existem barreiras de segurança intrínseca especiais que permitem o tráfego do

Distância máxima

Tipo de cabo mm2 (AWG)

Cabo de par trançado com blindagem única

0.2 (24) · Mesmo cabo usados hoje

• Limitações de comprimento similares

• Compatibilidade com sistema telefônico para grandes distâncias

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

Figura 10: O protocolo HART utiliza o mesmo cabeamento para instrumentação de campo convencional.

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:

Instrumentos/ Capacitância 65 nF/km 95 nF/km 160 nF/km 225 nF/km

Tabela 1: Comprimento máximo do cabo em função da capacitância do cabo

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