Protocolo Hart

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REICAMPUS ALTO PARAOPEBA

ENGENHARIA MECATRÔNICA

Eduardo Luiz CostaJoão Paulo CardozoPedro Henrique Rezende Neto

Ouro Branco2013

Professor: Mário Cupertino da Silva Júnior

Roteiro

• Objetivo

• Introdução

• Protocolo Hart

• Objetivos do Protocolo

• Funcionamento do Protocolo

• Características do Protocolo

• Comandos do Protocolo

• Topologias e Arquiteturas

Roteiro

• Vantagens e Desvantagens do Protocolo

• Metodologia de Construção e Comunicação

• Aplicabilidade na Indústria

• Exemplos de Aplicação em Diversos Setores

• Motivos que justificam sua Implantação

• Problemas que podem ocorrer na implantação ou uso

• Possíveis Soluções para os Problemas

• Conclusão

• Referências Bibliográficas

Objetivo

Fazer o estudo e a análise do Protocolo Hart.

Introdução

• Desenvolvido pela empresa Fisher Rousemount na década de 80.

• Comunicação entre componentes inteligentes.

• Sobreposição do sinal digital sobre o analógico.

• Sobreposição do sinal digital sobre o analógico 4-20mA.

• Em 2007, é desenvolvido o HART sem fio, WirelessHART.

Protocolo Hart

• O protocolo Hart é um protocolo do tipo mestre/escravo.

• O protocolo HART utiliza apenas as camadas física, de enlace e de aplicação.

Protocolo Hart

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 sinal analógico de 4-20mA.

• O sinal FSK é contínuo em fase, não impondo nenhuma interferência sobre o sinal analógico

• Permite além da transmissão da informação desejada, ele possibilita a transmissão de informações adicionais.

Protocolo Hart

Mensagem Hart• Estrutura da mensagem enviada pelo sinal

HART digital:

Figura 1 - Estrutura da Mensagem Hart

Objetivos do Protocolo

Os principais objetivos do Protocolo Hart são:

• Prover a comunicação confiável entre os vários sistemas de informação;

• Melhorar o fluxo e o acesso às informações;• Agilizar as tomadas de decisões administrativas

facilitando a comunicação entre seus usuários.

Princípios de Funcionamento

Sistema de controlador sem o Protocolo Hart.

Figura 2 – Sistema de Controlador sem o HART

Princípios de Funcionamento

Sistema de controlador com o Protocolo Hart.

Figura 2 – Sistema de Controlador com o HART

Características do Protocolo

As características do Protocolo HART são:

• Protocolo simples, de fácil operação e manutenção;• Compatível com a instrumentação analógica;• Sinal analógico e comunicação digital;• Opção de comunicação ponto a ponto ou multidrop;• Acesso de dados de maneira flexível usando-se até dois

mestres;• Suporta equipamentos multivariáveis; • 500 ms de tempo de resposta (com até duas transações);• Totalmente aberto com vários fornecedores.

Comandos do Protocolo

Existem quatro classes de Comandos, são eles:

• Comandos Universais• Comandos de Práticas Comuns• Comandos Específicos de Dispositivos• Comandos de Famílias de Dispositivos

Comandos do Protocolo

Comandos Universais Comandos Específicos de Dispositivos

Leitura do fabricante e do tipo de dispositivo

Funções específicas do modelo

Leitura das variáveisLeitura da corrente de saída

Opções especiais de calibração

Leitura de mais de 4 variáveis dinâmicas predefinidas

Iniciar, parar e resetar totalizador

Mudança de Limite Inferior Selecionar variável primária

Ajuste de Zero e Span Habilitar PID

Inicio de auto-teste Mudança de Set Point

Número de série Ajuste de parâmetros de sintonia

Valores de constante de tempo

Tabela 1 – Comandos do Protocolo Hart

Topologias

• O protocolo permite o uso de até dois mestres que podem se comunicar com um instrumento escravo em uma rede Hart.

• O protocolo Wired Hart apresenta dois tipos de topologias: ponto a ponto ou multidrop.

Topologias

• Ponto a Ponto

Figura 4 – Dois Mestres acessam uma informação de um mesmo escravo.

Figura 5 – Comunicação Mestre-Escravo.

Topologias

• Multidrop

Figura 6 – Topologia Multidrop.

Topologias

• O protocolo Wireless Hart apresenta três tipos de topologias: rede estrela, malha de rede e malha de rede estrela.

Figura 7 – Topologias Wireless Hart

Vantagens e Desvantagens

Vantagens:

• Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital;

• Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica;

• Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes;

• Transmissão simultânea de dados digitais;

• Simplicidade graças a interfaces intuitivas acionadas por menus;

• Redução de riscos por meio de um protocolo altamente preciso e sólido;

• Facilidade de implementação para maximizar a eficácia de custos iniciais;

• Vasta seleção de produtos, com dispositivos e aplicativos de software

compatíveis com a maior parte de fornecedores de automação de processos;

• Independência de plataforma para interoperabilidade completa com ambientes

de múltiplos fornecedores.

Vantagens e Desvantagens

Desvantagens:

• Limitação quanto à velocidade de transmissão das

informações;

• Falta de economia de cabeamento (precisa-se de um

par de fios para cada instrumento).

Metodologia de Construção e Comunicação

Para a escolha do dispositivo Hart ideal, deve-se levar em consideração os seguintes fatores:

• Variáveis a serem medidas;• Tipo de acesso do controlador;• Taxa de atualização de Entrada/Saída;• Recursos para a calibração do instrumento;

Metodologia de Construção e Comunicação

O processo de comissionamento de um dispositivo inclui algumas características, são elas:

• Verificação de Dispositivos;• Verificação da Integridade da Malha;• Armazenamento de Registros;

Comissionamento de Dispositivos

Metodologia de Construção e Comunicação

O protocolo HART possui diversas maneiras de acesso às informações nos dispositivos habilitados, são elas:

• Configuração com Comunicadores Portáteis;• Comunicação através de Computador

Configuração de Dispositivos

Metodologia de Construção e Comunicação

Configuração de Dispositivos

Figura 8 – Dispositivos para comunicação.

Metodologia de Construção e Comunicação

Para potencializar a eficiência dos dispositivos de campo inteligentes, existem algumas maneiras de integrar os dados Hart, dentre essas maneiras, destacam-se:

• Integração Ponto a Ponto;• Integração Hart a Analógico;• Integração Hart mais Analógico;• Integração Total Hart;• Integração Hart a Rede de Fábrica.

Integração dos Dispositivos

Metodologia de Construção e Comunicação

Integração dos Dispositivos

Figura 9 – Integração dos Dispositivos.

Metodologia de Construção e Comunicação

O processo de calibração consiste em três etapas, são elas:

• Transformação das Variáveis de Processo;• Escalamento das Variáveis de Processo;• Geração de Sinal.

Calibração dos Dispositivos

Metodologia de Construção e Comunicação

Existem algumas diretrizes a seguir para o cabeamento de um instrumento Hart, são eles:

• Utilizar cabeamento blindado de par trançado;• Aterra em um único ponto;• Garantir alimentação de energia elétrica;• Permanecer abaixo do comprimento máximo de

cabo permitido.

Cabeamento dos Dispositivos

Aplicabilidade na Indústria

Monitoramento e controle de processo:

• Instrumentos multivariáveis;

• Medições Ad-Hoc em curto prazo;

• Calibragem de nível de tanque;

• Melhoramento de infra-estrutura da planta/instrumento;

• Controle supervisório e de processo não-crítico.

Aplicabilidade na IndústriaGerenciamento de ativos

• Verificar e validar com rapidez as configurações de

dispositivos e malhas de controle;

• Utilizar diagnósticos remotos para reduzir verificações de

campo desnecessárias;

• Capturar dados de tendência de desempenho para

diagnósticos de manutenção preventiva;

• Reduzir custos de inventários de sobressalentes e de

gerenciamento de dispositivos.

Exemplos de Aplicação

• Petrolífera – Shell Scotford:

Objetivos: Expansão da produção/migração de rede;

Soluções: Utilizar aparelhos de calibragem virtual;

Aparelhos críticos do processo calibrados no padrão 4-20mA;

Centro de controle da rede;

Resultados: Expansão segura e eficiente;

Soluções de problemas em aparelhos em tempo real;

Manutenção preditiva e preventiva;

Economia superior a U$7,1 milhões;

Exemplos de Aplicação

• Energética – WE Energies:

Objetivos: Segurança quanto ao vapor de dois geradores;

Comunicação com os aparelhos de campo para prever interrupções.

Soluções: Otimização de ativos;

Comunicação HART aos aparelhos que eram “setados” a mão e aos SCD.

Resultados: Aumento no tempo de serviço/vida das válvulas;

Redução de custos pelo gerenciamento de ativos;

Extensão do tempo de vida de válvulas críticas para o processo.

Motivos que Justificam sua Implantação

• Opção para migração/atualização;

• Gerenciamento de ativos;

Figura 10 – Conexão do Protocolo Hart.

Problemas que podem ocorrer na Implantação

• Comprimento do cabeamento;

Figura 11 – Cabos utilizados no Protocolo Hart.

Possíveis Soluções para os Problemas Encontrados

• Limitar o comprimento do cabo através de componentes repetidores:

Instrumentos/ Capacitância 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 – Especificações de Cabeamento

Conclusão

A rede Hart é uma rede altamente confiável.

Percebe-se que a rede Hart tem como característica principal a transmissão de sinais digitais juntamente com o sinal analógico, em um único dispositivo.

Referências Bibliográficas

• HARTCOMM. Disponível em <http://www.hartcomm.org/index.html>. Acesso

em 29/03/2013

• Eric Bezerril Fonseca. Redes Industriais: Protocolo de Comunicação Hart. Natal

2009

• Thiago Augusto Nogueira. Redes de Comunicação para Sistemas de

Automação Industrial. Ouro Preto 2009

• Constantino Seixas Filho. Introdução ao Protocolo Hart.

• SLIDESHARE. Disponível em:

<http://www.slideshare.net/Everton_michel/protocolos-e-redes-industriais>.

Acesso em 29/03/2013

• SCRIBD. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/92681386/Rede-Hart>.

Acesso em 29/03/2013

FIM