HART sobre o Profibus

Introdução

A necessidade de automação na indústria e nos mais diversos segmentos está associada, entre diversos aspectos, às possibilidades de aumentar a velocidade de processamento das informações, uma vez que as operações estão cada vez mais complexas e variáveis, necessitando de um grande número de controles e mecanismos de regulação para permitir decisões mais ágeis e, portanto, aumentar os níveis de produtividade e eficiência do processo produtivo dentro das premissas da excelência operacional.

A automação permite economias de energia, força de trabalho e matérias-primas, um melhor controle de qualidade do produto, maior utilização da planta, aumenta a produtividade e a segurança operacional. Em essência, a automação nas indústrias permite elevar os níveis de continuidade e de controle global do processo com maior eficiência, aproximar ao máximo a produção real à capacidade nominal da planta, ao reduzir ao mínimo possível as horas paradas, de manutenção corretiva e a falta de matéria-prima.

Além disso, com o advento dos sistemas de automação baseado em redes de campo e tecnologia digital, pode-se ter vários benefícios em termos de manutenção e aumentar a disponibilidade e segurança operacional. E ainda, a  automação extrapola os limites de chão de fábrica, ela continua após o produto acabado, atingindo fronteiras mais abrangentes; a automação do negócio. 

 

Figura 1 -  A automação extrapola os limites de chão de fábrica, ela continua após o produto acabado,  atingindo fronteiras mais abrangentes; a  automação do negócio. 

A solução completa deve prover uma metodologia de gestão da indústria de forma transparente e garantir que todos os esforços sejam direcionados para se atingir a meta estabelecida, facilitando a tomada de decisão quando há mudanças relevantes ao desempenho dos indicadores ou um desvio em relação ao planejado.

Usuários e clientes então devem estar atentos na escolha e definição de um sistema de automação e controle, onde esta definição deve levar em conta vários critérios e que possa estar em sincronismo com o avanço tecnológico.

Quanto mais informação, melhor uma planta pode ser operada e sendo assim, mais produtos pode gerar e mais lucrativa pode ser. A informação digital e os sistemas verdadeiramente abertos permitem que se colete informações dos mais diversos tipos e finalidades de uma planta, de uma forma interoperável e como ninguém jamais imaginou e neste sentido, com a tecnologia Fieldbus (Foundation Fieldbus, Profibus, HART, WirelessHART, DeviceNet, Asi, etc.) pode-se transformar preciosos bits e bytes em um relacionamento lucrativo e obter também um ganho qualitativo do sistema como um todo. Não basta apenas pensar em barramento de campo, deve-se estar atento aos benefícios gerais que um sistema de automação e controle possa proporcionar.

A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação está revelando um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos. Veremos a seguir alguns detalhes e redes industriais que fornecerão uma explicação detalhada de como estas redes agem como o elo de ligação central no fluxo de informações na automação.

A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação alterando hierarquias e estruturas nos mais diversos ambientes industriais assim como setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.

Figura 2 – Níveis da pirâmide de automação

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de Entrada/Saída (E/S), transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real (PROFIBUS-DP ou PA, Foundation Fieldbus, HART, etc.). A transmissão de dados do processo e diagnósticos é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e também diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando necessário.

No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que várias redes podem suprir. A rede PROFInet, HSE (High Speed Ethernet), Ethernet IP, suportam dispositivos de campo simples e aplicações de tempo crítico, bem como a integração de sistemas de automação distribuídos baseados em componentes.

Tabela 1.1 – Requisitos de comunicação de sistemas de automação industrial

Nos últimos anos temos acompanhado que os mercados de instrumentação e automação vêm demandando equipamentos de campo (transmissores de pressão e temperatura, conversores, posicionador, atuadores, controladores, etc.) com alta performance, confiabilidade, disponibilidade, recursividade, etc., com a intenção de minimizar consumos, reduzir a variabilidade dos processos, proporcionar a redução de custos operacionais e de manutenção, assim como garantir a otimização e melhoria continua dos processos.

Por outro lado, os microprocessadores/microcontroladores estão se tornando mais poderosos e mais baratos e, os fornecedores na instrumentação vêm respondendo às demandas dos usuários por mais e melhores informações em seus processos.

A tecnologia digital é rica no fornecimento de informação, não somente pertinente ao processo, mas em especial dos equipamentos de campo. Desta forma, condições de auto-diagnoses podem poupar custos operacionais e de manutenção, principalmente em áreas classificadas (perigosas) ou mesmo em áreas de difícil acesso. Da própria sala de controle pode-se ter uma visão geral do sistema e ainda com ferramentas baseadas em Internet, a qualquer hora e de qualquer lugar. Através de um gerenciamento destas informações vindas do campo, pode-se selecionar convenientemente os dados para se atingir os objetivos de produção, direcionando as informações às pessoas e/ou departamentos corretos e agindo de maneira a melhorar os processos.

Percebe-se aqui que todas estas evoluções tecnológicas e a consolidação das redes industriais fazem com que os sistemas de automação e controle, equipamentos de campo, controladores, etc., possam assumir funções antes inimagináveis, como o controle de contínuo e discreto, tempos de varreduras menores, arquiteturas redundantes, gerenciamento e tráfego de informação, disponibilidade de informações para IHMs, Internet, geração de relatórios, gerenciamento de ativos, altos níveis de segurança, etc. Tudo isso, aliado à confiabilidade industrial tanto de hardware quanto de software.

Não resta dúvida que hoje não é somente a condição de controle que importa. A gestão da informação, a inteligência da instrumentação, a tecnologia verdadeiramente aberta e não proprietária, os benefícios da tecnologia digital são o que agregam valores ao usuário.

No mercado atual globalizado, a busca de uma vantagem tecnológica que permita ao seu usuário competir de uma maneira eficaz, manter-se de uma maneira sustentável, obtendo lucro e reinvestir no seu negócio, a automação industrial passou a ser item básico desse processo. No ramo da indústria, a otimização de recursos faz-se imprescindível. As inovações na área de processo em si são poucas, ficando para as áreas de controle de processo a responsabilidade na redução de custos. O entendimento dos processos de inovação na automação com os sistemas digitais e de redes abertas podem ajudar a nos situarmos no contexto atual, identificando as inovações que podem agregar valor à cadeia produtiva. Notadamente nos últimos anos com o avanço na eletrônica digital passamos a ter novas ferramentas nas áreas de controle de processo e manutenção que associadas com sistemas de comunicação baseados em protocolos abertos de redes industriais.

Visando a minimização de custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede industrial para interligar os vários equipamentos de uma aplicação. A utilização de redes e protocolos digitais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas:

• Custos de instalação, operação e manutenção
• Procedimentos de manutenção com gerenciamento de ativos
• Fácil expansão e upgrades
• Informação de controle e qualidade
• Determinismo (Permite determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da rede)
• Baixos tempos de ciclos
• Várias topologias
• Padrões abertos
• Redundância em diversos níveis
• Menor variabilidade nas medições com a melhoria das exatidões
• Medições multivariáveis
• Etc.

A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis.

Hoje, em termos de parque instalado, existe um parque enorme, mais de 35 milhões de equipamentos HART em campo em várias aplicações e, existe um grande interesse em se utilizar este parque com outros protocolos em integrações e atualizações de sistemas. Neste artigo veremos um pouco do protocolo HART, do protocolo Profibus e o HART sobre o Profibus.O Profibus possui mais de 40 milhões de nós instalados.

PROFIBUS

A história do PROFIBUS começa na aventura de um projeto da associação apoiado por autoridades públicas, que iniciou em 1987 na Alemanha. Dentro do contexto desta aventura, 21 companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto estratégico em fieldbus. O objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo bitserial, sendo o requisito básico a padronização da interface de dispositivo de campo. Por esta razão, os membros relevantes das companhias do ZVEI (Associação Central da Indústria Elétrica) concordaram em apoiar um conceito técnico mútuo para manufatura e automação de processos.

Um primeiro passo foi a especificação do protocolo de comunicações complexas PROFIBUS FMS (Especificação de Mensagens Fieldbus), que foi preparado para exigência de tarefas de comunicação.

Um passo mais adiante em 1993 foi a conclusão da especificação para uma variante mais simples e com comunicação mais rápida, o PROFIBUS-DP (Periferia Descentralizada). Este protocolo está disponível agora em três versões funcionais, o DP-V0, DP-V1 e DP-V2.

Baseado nestes dois protocolos de comunicação, acoplado com o desenvolvimento de numerosos perfis de aplicações orientadas e um número de dispositivos de crescimento rápido, o PROFIBUS começou seu avanço inicialmente na automação manufatura e desde 1995 na automação de processos com a introdução do PROFIBUS-PA. Hoje, o PROFIBUS é o barramento de campo líder no mercado mundial.

O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo aberto, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiabilidade, segurança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores.

Hoje, estima-se mais de 40 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS e milhares de plantas com tecnologia PROFIBUS-PA. São 24 organizações regionais (RPAs) e 35 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus usuários, inclusive no Brasil, em parceria com a FIPAI na Escola de Engenharia de São Carlos-USP, existe o único PCC e PICT (Centro de Treinamento Profibus)  da América Latina.

No nível de célula, os controladores programáveis, como os CLPs e os PCs, comunicam-se entre si, requerendo, dessa maneira, que grandes pacotes de dados sejam transferidos em inúmeras e poderosas funções de comunicação. Além disso, a integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet são requisitos absolutamente obrigatórios. Essa necessidade é suprida pelos protocolos PROFIBUS FMS e PROFINet.

Figura 3 – Exemplo de uma rede Profibus com as variantes Profibus-DP e Profibus-PA

O PROFIBUS, em sua arquitetura, está dividido em três variantes principais:

PROFIBUS DP

O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão com 24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em controles com tempo crítico.

Atualmente, 90% das aplicações envolvendo escravos Profibus utilizam-se do PROFIBUS DP. Essa variante está disponível em três versões: DP-V0, DP-V1 e DP-V2. A origem de cada versão aconteceu de acordo com o avanço tecnológico e a demanda das aplicações exigidas ao longo do tempo.

Figura 4 – Versões do Profibus

Veja na figura 4 que o HART sobre o Profibus-DP é algo previsto como perfil.

PROFIBUS-PA

O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituição ao padrão 4 a 20 mA.

Existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde resumidamente destacam-se as vantagens funcionais (transmissão de informações confiáveis, tratamento de status das variáveis, sistema de segurança em caso de falha, equipamentos com capacidades de autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos, alta resolução nas medições, integração com controle discreto em alta velocidade, aplicações em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios econômicos pertinentes às instalações (redução de até 40% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), custos de manutenção (redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), menor tempo de startup, oferecem um aumento significativo em funcionalidade e segurança.

O PROFIBUS PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios simples. Também permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente seguras. O PROFIBUS PA permite a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. O PROFIBUS PA foi desenvolvido em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação: 

• O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes fabricantes.
• Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente seguras sem influência para outras estações.
• Uma comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o barramento de automação do processo PROFIBUS PA e do barramento de automação industrial PROFIBUS-DP.
• Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC 61158-2.
• Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo “intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”. 

As conexões dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede PROFIBUS DP são feitas por um coupler DP/PA. O par trançado a dois fios é utilizado na alimentação e na comunicação de dados para cada equipamento, facilitando a instalação e resultando em baixo custo de hardware, menor tempo para iniciação, manutenção livre de problemas, baixo custo do software de engenharia e alta confiança na operação.

A arquitetura e a filosofia do protocolo PROFIBUS asseguram a cada estação envolvida nas trocas de dados cíclicos um tempo suficiente para a execução de sua tarefa de comunicação dentro de um intervalo de tempo definido. Para isso, utiliza-se do procedimento de passagem de “token”, usado por estações mestres do barramento ao comunicar-se entre si, e o procedimento mestre-escravo para a comunicação com as estações escravas. A mensagem de “token” (um frame especial para a passagem de direito de acesso de um mestre para outro) deve circular, sendo uma vez para cada mestre dentro de um tempo máximo de rotação definido (que é configurável). No PROFIBUS o procedimento de passagem do “token” é usado somente para comunicações entre os mestres. 

Figura 5 – Comunicação Multi-Mestre. 

Figura 6 – Comunicação Mestre- Escravo. 

O procedimento mestre-escravo possibilita ao mestre que esteja ativo (o que possui o “token”) acessar os seus escravos (através dos serviços de leitura e escrita). 

PROFINET

O PROFInet é uma rede padronizada pelo PROFIBUS International de acordo com a IEC 61158-5 e a IEC 61158-6. É uma das quatorze redes de Ethernet industrial. Basicamente, há dois tipos de redes PROFInet: PROFInet IO e PROFInet CBA. O PROFInet IO é utilizado em aplicações em tempo real (rápidas) e o PROFInet CBA é utilizado em aplicações onde o tempo não é crítico, por exemplo, na conversão para rede PROFIBUS-DP.

O PROFInet é um conceito de automação compreensível que emergiu como resultado da tendência na tecnologia de automação para máquinas reusáveis e modulares em plantas com inteligência distribuída. Suas particularidades atendem pontos-chaves das demandas da tecnologia de automação:

• comunicação consistente entre os diversos níveis de gerenciamento desde o campo até os níveis corporativos usando Ethernet.
• uma grande quantidade de fabricantes em um protocolo e sistema aberto;
• utiliza padrões IT;
• integração em sistemas PROFIBUS sem mudanças dos mesmos.

O PROFInet foi definido de acordo com o Physical Layer ISO/IEC8802-3 e seu DataLink Layer de acordo com TCP/UDP/IP/Ethernet da ISO/IEC8802-3. Seu principal enfoque, e aí se deixa claro as diferenças ente o mercado comum de redes Ethernet, é a aplicação do conceito de objetos já em usos e testados em softwares de tecnologias de automação. Seguindo esta idéia, máquinas e plantas podem ser divididas em módulos tecnológicos, cada um deles com suas características e compromissos mecânicos, elétricos/eletrônicos e softwares de aplicação.Cada módulo é então encapsulado de acordo com componentes PROFInet e podem ser acessados via interfaces universais, e ainda podem ser interconectados em várias aplicações.

Entenda o conceito de componentes como a idéia de reutilização de unidades de software.Neste sentido o PROFInet utiliza-se de componentes COM (Component Object Model) e sua expansão o DCOM (Distributed Component Object Model) para sistemas distribuídos. Sendo assim, todos os objetos são idênticos e possuem as mesmas aparências. Este tipo de sistema de automação distribuído habilita projetos modulares de máquinas e plantas com suporte a reutilização de partes de máquinas e plantas.

Isto garante a interoperabilidade e a redução de problemas. A integração de segmentos PROFIBUS em PROFInet é feita utilizando implementações proxies o que garante que o espectro todo de produtos PROFIBUS podem ser implementados sem mudanças, garantindo ao usuário a proteção máxima aos seus investimentos.Além disso a tecnologia Proxy permite a integração com outros fieldbuses.

 

Figura 7 - Criação e interconexão de componentes.

Figura 8 - Estrutura de dispositivo PROFInet

Figura 9 - Modelo de migração PROFInet

O PROFInet tem três modelos distintos de operação, sendo dois deles para tempo real. Veja figura 10.

O primeiro modelo é baseado na arquitetura TCP/IP pura, utilizando Ethernet na camada 1 e 2, o IP na camada 3 e o TCP ou UDP na camada 4. Essa arquitetura é chamada de Non-real time (Non-RT), pois seu tempo de processamento se aproxima dos 100 ms. A grande aplicação nesse tipo de comunicação é de configuração da rede ou na comunicação com os Proxis, utilizando o PROFInet CBA. Os Proxis são conversores de protocolos (por exemplo, de PROFInet para PROFIBUS-DP ou de PROFInet para HART, FF, etc), conforme mostrado na figura 11. 

Figura 10 –PROFInet tem três modelos distintos de operação

Figura 11 – Proxy PROFInet/PROFIBUS-DP e PROFInet/HART, PROFInet/FF

O segundo modelo baseia-se no chamadoSoft Real Time (SRT) e caracteriza-se por ser um canal direto entre a camada da Ethernet e a aplicação. Com a eliminação de vários níveis de protocolo, há uma redução no comprimento dos telegramas transmitidos, requerendo menos tempo de transmissão de dados na rede. Neste caso, pode-se utilizar os dois tipos de PROFInet IO e CBA.

O terceiro modelo baseia-se no conceito deIsochronous Real Time (IRT), para aplicações em que o tempo de resposta é crítico e deve ser menor do que 1ms. Um exemplo típico de aplicação neste caso é o controle de movimento de robôs, onde o tempo de atualização de dados deve ser curto. Utiliza-se apenas o PROFInet IO para esse caso.

Figura 12 – PROFInet CBA e IO provendo máxima flexibilidade às aplicações

O PROFInet foi desenvolvido em seu modelamento de forma a proporcionar o acesso às informações de dados via serviços padrões de WEB.

Figura 13– O acesso às informações de dados do PROFInet é possível via serviços padrões de WEB.

Além disso, a tecnologia do PROFInet permite fácil integração com sistema MES (Manufacturing Execution Systems).

 

Figura 14 - PROFInet e o MES

HART/4-20mA

Atualmente muito se fala em termos de redes fieldbus, mas tem-se muitas aplicações rodando em HART (Highway Addressable Remote Transducer), tendo vantagens com os equipamentos inteligentes e utilizando-se da comunicação digital de forma flexível sob o sinal 4-20mA para a parametrização e monitoração das informações. São mais de 35 milhões de equipamentos instalados e em várias aplicações.

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.

Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de aplicações, em vários segmentos, mesmo em ambientes perigosos. O HART permite o uso de mestres: um console de engenharia na sala de controle e um segundo mestre no campo, por exemplo um laptop ou um programador de mão.

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;

As especificações continuamente são atualizadas de tal forma a atender todas as aplicações.

Veremos a seguir alguns detalhes do protocolo HART.

A simplicidade: o HART e o loop de corrente convencional

As figuras 15 e 16 nos mostram como entender o HART facilmente. Na figura 15, temos um loop de corrente analógica, onde os sinais de um transmissor variam a corrente que passa por ele de acordo com o processo de medição. O controlador detecta a variação de corrente através da tensão sob um resistor sensor de corrente. A corrente de loop varia de 4 a 20mA para freqüências usualmente menores que 10 Hz.

A figura 16 é baseada na figura 15, onde o HART foi acrescido. Agora 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.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 freqüentemente é considerado como parte do modem e usualmente não é mostrado separadamente.Na figura 16 foi desenhado separadamente para mostrar como se deriva o sinal de tensão de recepção. O sinal de recepção não é somente AC, nem no controlador ou mesmo no transmissor.

Para enviar uma mensagem, o transmissor ao ligar sua fonte de corrente, fará com que se sobreponha um sinal de corrente de 1 mA pico-a-pico de alta freqüência sobre o sinal analógico da corrente de saída. O resistor R no controlador converterá este sinal em tensão no loop e esta será amplificada no receptor chegando até ao demodulador do controlador (modem). Do mesmo modo, para enviar uma mensagem ao transmissor, o controlador fecha sua chave, conectando sua fonte de tensão que sobrepõe um tensão de aproximadamente 500 mV pico-a-pico através do loop. Esta é vista nos terminais do transmissor e encaminhada ao amplificador e demodulador. Note que existe uma implicação na figura 16 que é que o mestre transmita como fonte de tensão enquanto o escravo, como fonte de corrente.A figura 17 mostra detalhes do sinal HART, sendo que as amplitudes podem variar de acordo com as impedâncias e capacitâncias de cada equipamento e perdas causadas por outros elementos no loop.O HART se utiliza do FSK, chaveamento por mudança de freqüência(Frequency Shift keying), onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz, representa o 0 binário.Note que estas freqüências estão bem acima da faixa de freqüências do sinal analógico(0 a 10 Hz) de tal forma que não há interferências entre elas.Para assegurar uma comunicação confiável, o protocolo HART especifica uma carga total do loop de corrente, incluindo as resistências dos cabos, de no mínimo 230 Ohms e no máximo 1100 Ohms. 

Figura 15 – Loop de corrente convencional

Figura 16 – Loop de corrente acrescido o HART 

Figura 17 – Modulação e sinal HART

Equipamentos de campo e handhelds (programadores de mão) possuem um modem FSK integrado, onde via port serial ou USB de um PC ou laptop pode-se conectar uma estação externamente. A figura 18 mostra uma conexão típica HART de campo. Veremos posteriormente, outros tipos de conexões.

Figura 18 – Elementos típicos de uma instalação HART

Figura 19 – Conexão HART ponto-a-ponto

Em uma conexão do tipo ponto-a-ponto, como a da figura 19, é necessário que o endereço do equipamento seja configurado para zero, desde que se use o modo de endereço na comunicação para acessá-lo.

Em sistemas considerado grandes, pode-se utilizar-se de multiplexadores para acessar grandes quantidades de equipamentos HART, como por exemplo, na figura 20, 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.

Ainda podemos ter rede em multidrop e condições de split-range. Na figura 21, 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 (foi ocultado na figura) 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.

Figura 20 - Conexão HART via multiplexador

Figure 21 – Conexão HART em Multidrop 

A condição de split-range é usada em uma situação especial onde normalmente dois posicionadores de válvulas recebem o mesmo sinal de controle, por exemplo, um operando com corrente nominal de 4 a 12 mA e o outro de 12 a 20 mA. Nesta condição, os poscionadores são conectados em série no loop de corrente com endereços diferentes e o host será capaz de distingui-los via comunicação.Veja figura 22.

Figura 22 – Conexão HART via Split Range

Como visto anteriormente, o HART se utiliza do sinal de 4-20mA, sobrepondo um sinal em técnica FSK, chaveamento por mudança de freqüência (Frequency Shift keying), onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz representa o 0 binário.Cada byte individual do telegrama do layer 2 é transmitido em 11 bits, usando-se 1200 kHz.

Cabeamento

Utiliza-se um par de cabos trançados onde se deve 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.

Layer 2

O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre. A figura 23 mostra de maneira simples o modelo de troca de dados entre mestre e escravo. 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. 

Figura 23 – Frame HART

Vale citar a expansão recente do HART com o wirelessHART e o HART7. Para mais detalhes consulte: https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos e https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos-hart.

A convivência de vários protocolos em uma mesma planta – HART sobre o Profibus

Daqui para frente é esperado que a convivência entre vários protocolos torne-se uma constante, principalmente onde o parque instalado for grande e deseja-se preservar os investimentos feitos. A figura 24 é um exemplo típico de sistema onde se tem em uma mesma planta os protocolos Profibus e HART.Neste caso, uma interface HART-Profibus-DP,  é utilizada, permitindo conexões ponto-a-ponto e multidrop e que possui 8 canais HART mestres e permite ao usuário executar manutenção, calibração, monitoramento de status do sensor, status geral do equipamento, dentre outras informações. 

Figura 24 – Exemplo de IntegraçãoHART sobre Profibus 

A Profibus International definiu um perfil de implementação do HART sobre o Profibus. Neste caso, através do conceito de Profibus DP remote I/O, tem-se oHART fornecendo mensagens através das remotas, onde:

• A comunicação HART é feita via comunicação acílica usando serviços baseados no DP-V1;
• OMestre HART controla as comunicações no barramento HART com os instrumentos e estes são designados dispositivos servidores do HART;
• Pode-se ter um  DTM CommPROFIBUS fornecendo a conexão para a rede Profibus;
• Pode-se ter um Gateway HART acima do componente DTMCommPROFIBUS para acessar os canais de I/O;
• ODTM do instrumento HART é colocado acima do DTM do Gateway HART para conectar o instrumento de forma acíclica via comunicação (DP-V1). No caso do HART sobre Profibus pode ser estabelecida esta comunicação usando FDT (Mestre Classe 2) de acordo com a Remota.

A extensão Profibus DP-V1 contêm melhorias orientadas aos processos de automação, principalmente nas  comunicações acíclicas de dados envolvendo parametrização, operação, visualização e calibração de dispositivos inteligentes de campo(equipamentos Profibus-PA), em conjunto com as comunicações cíclicas que são de alta prioridade.A acíclica é executada em paralelo com a comunicação cíclica, mas com prioridade inferior. Isso permite o acesso online as estações, utilizando ferramentas de engenharia. Podemos ter mestres Profibus suportanto os dois serviços e atuando como mestres classe 1 e 2 ou mesmo, mestres separados, onde o mestre classe 1 detem o token e executa a troca de dados cíclica com cada escravo e passa o token para o mestre classe 2 que estabelece a comunicação acíclica com qualquer escravo, troca dados e retorna o token para o mestre classe 1. 

Figura 25 – Esquema do stack HART sobre o Profibus

Sistema de automação aberto baseado em redes industriais

Usuários devem estar atentos a sistemas de automação abertos. A figura 26 mostra um exemplo de um sistema verdadeiramente aberto baseado em redes industriais. O SYSTEM302, sistema de automação e controle da Smar, fornece uma plataforma de automação com ampla capacidade de conectividade com as mais diversas tecnologias (Foundation Fieldbus, Profibus-DP, Profibus-PA, HART/4-20mA, WirelessHART, DeviceNet, AS-i, I/O convencional, Modbus, DNP3, HSE, etc), criando um ambiente amigável, flexível, escalonável, integrado e colaborativo. O ambiente integrado facilita a engenharia, comissionamento, manutenção e gestão de redes de campo. Sua interface intuitiva permite a fácil operação e diagnóstico de todo o sistema. É uma arquitetura poderosa de informações e a solução para:

• Sistemas de automação para os mais diversos segmentos industriais;
• Aplicações de pequeno, médio e grande porte;
• Sistemas híbridos de controle de processo, combinando o melhor dos dois mundos, SDCD e CLP;
• Controle contínuo e discreto, controle avançados, tempos de varreduras menores, arquiteturas redundantes;
• Melhoria da eficácia operacional através de informações integradas;
• Gerar soluções eficazes através da engenharia simplificada e integrada ;
• Gerenciamento de informações e alarmes ;
• Gerenciamento de Ativos e gestão de Negócios (MES);
• Conectividade, modularidade e facilidade de expansão;
• Segurança aliada à confiabilidade de hardware e software;
• Excelência operacional

Para mais detalhes, consulte: https://www.smar.com.br/pt/system302

Figura 26 – Exemplo de um Sistema Digital Aberto, baseado em redes industriais: SYSTEM302, Smar

Conclusão

As Redes de Comunicação Industrial têm um papel fundamental para as indústrias em geral. Hoje a automação extrapola o chão de fábrica e chega ao mundo dos negócios. Vimos detalhes do HART, Profibus e do HART sobre o Profibus.

O fator tecnológico é imprescindível para a sustentabilidade de uma unidade industrial. A inovação tecnológica é responsável pelo rompimento e/ou aperfeiçoamento das técnicas e processos de produção. Pode, desta forma, trazer ganhos em termos de competitividade. Neste caso, deve-se romper com a tecnologia convencional e ampliar as possibilidades de sucesso com a inovação demandada pelo mercado, neste caso sistemas de automação verdadeiramente aberto, com tecnologia digital, baseado em redes industriais e com várias vantagens comparadas aos convencionais SDCDs:

• Redução do erro de medição com a eliminação da conversão A/D do sinalvindo do transmissor de campo
• Visibilidade acrescida de toda a instrumentação digital, isto é, desde ochão de fábrica até a automação dos negócios
• Diagnósticos em linha, em qualquer ponto do sistema
• Expansão da rede com o sistema em funcionamento
• Redução de materiais na fase de montagem: eletrocalhas, eletrodutos,condulets, caixas de junção, cabos, etc.
• Reduções de tempo e custo de comissionamento e partida de sistemas
• Redução no uso de armários de rearranjo
• Interoperabilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes.
• Atualização de firmware
• Instrumentos multivariáveis
• Redução do cabeamento, painéis, borneiras, fontes de alimentação,conversores e espaço na sala de controle
• Alimentação do instrumento pelo mesmo cabo de sinal
• Opções de segurança intrínseca
• Capacidade de auto sensing (auto reconhecimento) do instrumento permitindofácil instalação e download de parâmetros
• Redução dos custos de engenharia, instalação e manutenção. Além docontrole de fluxo de informações e processos.
• Gestão de ativos

A mudança do controle de processo da tecnologia 4-20 mA para as redes digitais e sistemas abertos já se encontra num estágio de maturidade tecnológica e usuários colhendo seus benefícios. Essa mudança é encarada como um processo natural demandado pelos novos requisitos de qualidade, confiabilidade e segurança do mercado. A sua utilização traz uma vantagem competitiva, no sentido que essa nova tecnologia traz aumentos de produtividade pela redução das variabilidades dos processos e redução dos tempos de indisponibilidade das malhas de controle.

Autor

• César Cassiolato

Referências

• Material de Treinamento Profibus, César Cassiolato.
• Artigos técnicos Foundation Fieldbus, HART, Profibus, Wireless, César Cassiolato
• Manuais Smar
• https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos
• https://www.smar.com.br/pt/system302
• https://www.smar.com.br/pt
• Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 182 – 2012