Redes Industriais HART

Transcrição

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2 Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil calibração, ajustes de range e damping de equipamentos analógicos. Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle. O protocolo de comunicação HART é mundialmente reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, microprocessados. O protocolo HART permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART proporciona alguns dos benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20mA existentes.

3 O protocolo de comunicação de campo HART estende o padrão 4-20mA ao permitir também a medição de processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle analógica, proporcionando um salto na evolução do controle de processos. As características dos instrumentos podem ser vistas via comunicação digital que são refletidas na denominação do protocolo, HART, que significa Highway Addressable Remote Transducer. O Protocolo HART possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20mA. Tanto o sinal analógico 4-20mA como o sinal digital de comunicação HART, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidos pelo 4-20mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizadas ao mesmo tempo.

4 Em termos de performance, podemos citar como características do HART: Comprovado na prática, projeto simples, fácil operação e manutenção. Compatível com a instrumentação analógica; Sinal analógico e comunicação digital; Opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop; Flexível acesso de dados usando-se até dois mestres; Suporta equipamentos multivariáveis; 500ms de tempo de resposta(com até duas transações); Totalmente aberto com vários fornecedores;

5 Comunicação Analógica Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (ma). Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20mA proporcionalmente à variável de processo representada.

6 Comunicação Analógica + Digital Ambas terminações do loop possuem um modem e um amplificador de recepção, sendo que este possui alta impedância de tal forma a não carregar o loop de corrente. Note ainda que o transmissor possui uma fonte de corrente com acoplamento AC e o controlador uma fonte de tensão com acoplamento AC. A chave em série com a fonte de tensão no controlador HART em operação normal, fica aberta. No controlador HART os componentes adicionais podem ser conectados no loop de corrente, como mostrado ou através do resistor sensor de corrente.

7 Do ponto de vista AC, o resultado é o mesmo, uma vez que a fonte de alimentação é um curto-circuito. Note que o sinal analógico não é afetado, uma vez que os componentes adicionados são acoplados em AC. O amplificador de recepção frequentemente é considerado como parte do modem e usualmente não é mostrado separadamente. O sinal de recepção não é somente AC, nem no controlador ou mesmo no transmissor.

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9 A Tecnologia HART O Protocolo HART usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de frequência (FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal e portanto ele não interfere no sinal de 4-20mA. A lógica 1 é representada por uma freqüência de 1200Hz e a lógica 0 é representada por uma freqüência de 2200Hz, como mostrado abaixo. O sinal HART FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e recepção de informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20mA e permite uma aplicação tipo mestre possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo.

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13 Cabeamento Utiliza-se um par de cabos trançados onde deve-se estar atento à resistência total já que esta colabora diretamente com a carga total, e agindo na atenuação e distorção do sinal. Em longas linhas e sujeitas a interferências, recomenda-se o cabo com shield, sendo este aterrado em um único ponto, preferencialmente no negativo da fonte de alimentação. Segue algumas dicas de distribuição do cabeamento, aterramento e shield (blindagem): Para curtas distancias, pode-se usar cabos com 0,2 mm2 e sem shield. Para distancias até 1500m, recomenda-se usar cabos de par trançados com 0,2 mm2 e com shield.

14 Para distancias até 3000m, recomenda-se usar cabos de par trançados com 0,5 mm2 e com shield. Deve-se assegurar a continuidade da blindagem(shield) do cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo. O shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores, splices e caixas de distribuição e junção. Isolar sinal HART de fontes de ruídos, como cabos de força, motores, inversores de freqüência.colocá-los em guias e calhas separadas. Quando utilizar cabos multivias, não misturar sinais de vários protocolos. Em relação ao aterramento, deve-se ter uma impedância de terra suficientemente baixa com capacidade de dreno suficiente para conduzir e prevenir picos de tensão.deve-se evitar múltiplos terras.

15 Em sistemas considerado grandes, pode-se utilizar-se de multiplexadores para acessar grandes quantidades de equipamentos HART, onde o usuário deverá selecionar o loop de corrente para comunicar via Host. Nesta situação em cascata, o host pode comunicar com vários equipamentos (mais do que 1000), todos com endereços zero.

16 Na conexão em multidrop, observe que podem ser ligados no máximo até 15 transmissores em paralelo na mesma linha. A corrente que passa pelo resistor de 250 Ohms será alta, causando uma alta queda de tensão. Portanto, deve-se assegurar que a tensão da fonte de alimentação seja adequada para suprir a tensão mínima de operação. No modo multidrop a corrente fica fixa em 4mA, servindo apenas para energizar os equipamentos no loop.

17 Endereçamento em redes densas Para endereçar os equipamentos em redes densas, um formato especial chamado de long form adressing é usado. Durante a configuração,o endereço e o tag de cada equipamento, via ponto-aponto são enviados aos equipamentos. Na operação, os equipamentos operam com o endereço no formato long.usando o comando 11, o host pode acessar os equipamentos via tags.

18 O HART foi desenvolvido segundo o modelo OSI, o meio físico como visto anteriormente, o HART se utiliza do sinal de 4-20mA, sobrepondo um sinal em técnica FSK. Cada byte individual do telegrama do layer 2 é transmitido em 11bits, usando-se 1200 khz.

19 O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre. Toda comunicação é iniciada pelo mestre e o escravo só responde algo na linha se houve um pedido para ele. Existe todo um controle de tempo entre envios de comandos pelo mestre. Inclusive existe um controle de tempo entre mestres quando se tem dois mestres no barramento. Em termos de serviços de comunicação, o HART provê 3 tipos: Comandos padrões: onde se tem a troca de dados entre mestres/escravos; Modo burst: onde alguns equipamentos ciclicamente a cada 75ms envia na linha o valor de processo medido. Comandos em broadcast: que são comandos que todos os equipamentos recebem;

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21 Frame HART Preâmbulo: pode ser 3 ou mais bytes FF de sincronismo dos sinais da mensagem. SD: é o byte que indica quem está enviando o frame: mestre, escravo ou o escravo em burst mode e ainda, qual o formato, long or short. AD: é o campo de endereço onde no formato short com um byte, possui um bit de distinção entre os dois mestres possíveis e um para indicar burst mode. Em equipamentos de campo, 4 bits são usados para o endereço, de 0 a 15.No caso do formato long, o endereço tem 38 bits. CD: este é o byte que identifica o comando HART que vai depender do layer 7, isto é, da aplicação. Os comandos são divididos em classes: universais, comuns e de acordo com o fabricante.

22 Frame HART BC: indica o comprimento da mensagem.no HART o comprimento máximo é 25 bytes. Status: são dois bytes que indicam a condição do equipamento. Quando iguais a zero, o equipamento está OK. Data: são os dados transmitidos e que podem ser em vários formatos onde os equipamentos converterão convenientemente. Parity: contem o checksum, atendo HD = 4 (Hamming distance).

23 Em um frame usando formato short, teremos 25 bytes mais 10 bytes de controle. Como usa 11 bits, teríamos: 11*35 = 385 bits transmitidos o tempo por bit é de : 1/1200 bit/s = 0.83ms o tempo total de transação é de = 385*0.83ms = 0.319s

24 Application Layer(Camada de Aplicação) Como explicado anteriormente, o HART é baseado em comandos que uma vez recebidos pelos escravos, permitem certas ações.estes comandos estão divididos em classes: Universais: comandos usados e compreendidos por todos equipamentos HART; Práticos e Comuns: suportados pela maioria dos equipamentos HART e de acordo com a função do equipamento; Específicos de cada equipamento conforme o fabricante: são dependentes das características particulares de cada equipamento/ fabricante.

25 ddinstal.ini

26 Wireless HART O protocolo HART é o barramento de campo mais antigo e um dos mais bem sucedidos. Os primeiros dispositivos foram instalados há mais de 20 anos. Existe uma base instalada de +/- 25 milhões de dispositivos Cerca de 2 milhões de dispositivos HART são vendidos a cada ano.mais de 170 empresas fazem parte da HCF Novas empresas e entidades estão se associando a HCF WirelessHART começou a ser discutido em Novembro de Simplificar e garantir a interoperabilidade entre produtos HART ou wirelesshart. Novas capacidades, aplicações e estratégias de migração para alavancar a inteligência de diapositivos HART. Conexão simples e de baixo custo com dispositivos e hosts HART. Aproveitar a inteligência de milhões de dispositivos HART instalados.

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28 O Wireless HART (WiHART) serve para complementar ou substituir os sinais digitais; Trabalha em conjunto com o ISA SP-100, pode vir a ser uma das tecnologias recomendadas ; Adotou o IEEE como interface ao meio físico e endereçamento; Dedicado especificamente a soluções industriais; Especificação HART versão 7 aprovada em Junho de 2007 pelos membros inclui toda a parte de Wireless;

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30 Protocolo desenvolvido pela DUST Networks TSMP = Time Synchronized Mesh Protocol Cinco pontos principais para garantir a confiabilidade da rede, facilidade de instalação e eficiência no consumo de energia. - Comunicações sincronizadas no tempo - Frequency hopping - Inclusão automática de nó e formação de rede - Roteamento totalmente redundante na malha - Transferência segura de mensagens