Apresentação (1)
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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