O HART (Highway Addressable Remote Transducer) é sem dúvida o protocolo com mais aplicações em campo, 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.
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:
As especificações continuamente são atualizadas de tal forma a atender todas as aplicações. Exemplo disto são o HART 7 e o WirelessHART™.
O HART não define apenas um protocolo de comunicação digital, mas define também o meio físico, categorias de equipamentos, linguagem de descrição de equipamentos (EDDL) para integração nos sistemas de automação, ferramentas com versatilidade e flexibilidade de configuração, parametrização, calibração e até mesmo técnicas de aplicação. Uma vez que o padrão dominante para controle de processos na indústria ainda é o 4-20 mA, nada mais natural que aproveitar o próprio par de fios da malha de corrente para a comunicação digital. Assim, a infra-estrutura é aproveitada, bem como os sistemas de controle analógicos existentes.
Veremos a seguir alguns detalhes do protocolo HART.
As figuras 1 e 2 nos mostram como entender o HART facilmente. Na figura 1, 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 2 é baseada na figura 1, 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 2 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 2 que é que o mestre transmita como fonte de tensão enquanto o escravo, como fonte de corrente.A figura 3 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 1 – Loop de corrente convencional
Figura 2 – Loop de corrente acrescido o HART
Figura 3 – 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 4 mostra uma conexão típica HART de campo. Veremos posteriormente, outros tipos de conexões.
Para detalhes de um configurado HARTde mão, consulte: https://www.passeidireto.com/arquivo/104261283/hpc-401-gsg-pt
Para detalhes de uma interface USB-HART, consulte: https://www.instrumatic.com.br/produto/hi311-interface-serial-hart
Figura 4 – Elementos típicos de uma instalação HART
Figura 5 – Conexão HART ponto-a-ponto
Em uma conexão do tipo ponto-a-ponto, como a da figura 5, 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 6, 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 7a, na conexão em multidrop, observe que podem ser ligados no máximo até 15 transmissores em paralelo na mesma linha. A figura 7b mostra uma instalação típica HART. 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 6 - Conexão HART via multiplexador
Figure 7a – Conexão HART em Multidrop
Figura 7b - Esquema de instalação HART típica
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 8.
Figura 8 – 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.
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.
O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre. A figura 9 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 9 – Frame HART
Cada mensagem entre mestre e escravo inclui os endereços de origem e de destino, além de um byte de verificação para detectar possíveis problemas na mensagem. O status do equipamento de campo está sempre presente em todas as respostas para o mestre. Tomando como média 25 bytes por mensagem, temos 50 bytes para pergunta e resposta. Cada byte leva cerca de 10 ms à taxa de 1200 bps. Cada transação demora então 50x10 = 500 ms, ou seja, é possível executar apenas 2 transações por segundo.
O bloco que controla as transações HART corresponde à camada 2 do modelo OSI, ou seja, à Data Link Layer. Sendo mestre-escravo, cada transação tem origem no mestre. A resposta do escravo indica o recebimento do comando e pode eventualmente conter dados dependendo do comando enviado. Sendo half-duplex, após a transmissão de cada mensagem, a portadora FSK deve ser desligada para dar a chance de outro equipamento usar a rede. O controle da portadora deve ser tal que ela seja ligada no máximo 5 bits antes do início da mensagem (preâmbulo) e desligada no máximo 5 bits depois do final da mensagem (checksum). Cada mestre é responsável pelo controle das transações. Caso não haja resposta para uma mensagem dentro do intervalo de tempo limite, o mestre deve retransmitir o comando. Após a quantidade programada de retransmissões (usualmente 3) o mestre deve abortar a transação. Após cada pergunta ou resposta, o mestre espera um curto intervalo de tempo antes de enviar outro comando, dando chance do outro mestre se comunicar. Dessa forma os mestres intercalam transações no mesmo par de fios.
Para aumentar a taxa de transações alguns equipamentos possuem o modo BURST, que é opcional pela norma HART. Nesse modo, o mestre configura o escravo (comandos 107, 108 e 109) que então envia ciclicamente mensagens contendo as variáveis dinâmicas selecionadas. Então, uma vez que cada mensagem típica tem cerca de 25 bytes, é possível obter de 3 a 4 atualizações por segundo. Após cada mensagem BURST, o equipamento aguarda um breve intervalo de tempo para dar a chance do mestre iniciar uma transação interrompendo o modo BURST ou requisitando um outro comando HART. Apenas um equipamento pode estar em modo BURST no mesmo par de fios.
Hoje são mais de 36 Milhões de equipamentos instalados em campo, conforme podemos ver pela figura 10.
Figura 10 – HART e o parque instalado
No setor industrial, vemos um aumento da demanda do uso da comunicação sem fio e onde se busca aliar a segurança do tráfego dos dados à flexibilidade de acesso a eles:
o Dados não são degradados durante a comunicação(ruídos, atenuação etc)
o Dados não são acessados sem autorização
o Pouca infraestrutura, facilidade de instalação
o Facilidade de alteração e expansão
o Mobilidade de operação, isto, se auto organizar pra melhor comunicação (topologia dinâmica, auto roteamento etc)
o Baixo custo
As informações enviadas pelas redes sem fio devem ser tão confiáveis quanto às do sistema cabeado e ainda, a rede deverá ser eficiente e confiável no que diz respeito ao envio dos dados.
As informações enviadas pelas redes sem fio devem estar associadas às seguintes características:
Nos últimos anos, a tecnologia de redes sem fio sofreu grandes avanços tecnológicos, o que hoje pode proporcionar: segurança, confiabilidade, estabilidade, auto-organização (mesh), baixo consumo, sistemas de gerenciamento de potência e baterias de longa vida.
Em termos de benefícios podemos citar, entre outros:
Hoje no mercado vemos várias redes proprietárias e também algumas padronizadas. Existem muitos protocolos relacionados com as camadas superiores da tecnologia (ZigBee, WirelessHART™, ISA SP100) e o protocolo IEEE 802.15.4 (2006) para as camadas inferiores. O protocolo IEEE 802.15.4 define as características da camada física e do controle de acesso ao meio para as LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network).
A padronização para redes sem fio mostra que, ainda que existam diferenças, as normas estão convergindo para a SP100 e WirelessHART™, da ISA e HCF(HART Foundation e que hoje vem sendo adotado como padrão para a Foundation Fieldbus e Profibus) respectivamente. Vamos comentar um pouco sobre o WirelessHART™.
Figura 11a – Wireless x marketshare
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Figura 11b – Wireless x tecnologias preferenciais (2012)
Na figura 12 vemos razões para o uso da tecnologia sem fio e na figura 13 vemos uma pesquisa feita em 2011, onde mostra que pelo menos 43% dos consultados já estavam usando o wireless.
Figura 12 – Algumas razões para o uso da tecnologia sem fio
Fonte: www.controlglobal.com 8/9/2011
Figura 13 – O usuário e o uso do wireless
Segundo a figura 14(fonte On World), em 2016 há a expectativa de 24 milhões de pontos wireless, sendo 39% em novas aplicações.É notável, é fato que o wireless veio pra contribuir e muito na automação industrial.
Figura 14 – Expectativa wireless próximos anos
A versão HART 7 inclui várias características que atendem o WirelessHART™, contribuem com a melhoria de performance, diagnósticos e manutenção e ainda:
Figura 15 – Evolução do protocolo HART
Características:
A estrutura de uma rede WirelessHART™ está representada no diagrama da figura 16, onde a comunicação de uma rede WirelessHART™ é feita através de uma gateway.
Conseqüentemente, o gateway precisa ter a funcionalidade de um roteador de pacotes para um destino específico (instrumento da rede, aplicação hospedeira ou gerenciador da rede). O gateway usa o padrão de comandos HART para comunicar com os instrumentos na rede e aplicações hospedeiras (host applications).
Figura 16 – Estrutura de uma rede WirelessHART™
O WirelessHART™ faz parte do HART 7, o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio desenvolvido especificamente para atender as necessidades da indústria de processo.
Opera na freqüência de 2.4 GHz ISM usando o Time Division Multple Access (TDMA) para sincronizar a comunicação entre os vários equipamentos da rede. Toda a comunicação é realizada dentro de um slot de tempo de 10ms. Slots de tempo formam um superframe.
O WirelessHART™ suporta chaveamento de canais (channel hopping) a fim de evitar interferências e reduzir os efeitos de esvanecimento multi-percurso (multi-path fadings).O protocolo HART foi elaborado com base na camada 7 do protocolo OSI.
Com a introdução da tecnologia sem fio ao HART tem-se duas novas camadas de Data Link: token-passing e TDMA. Ambas suportam a camada de aplicação HART.
Na figura 17 temos o primeiro controlador HSE (High Speed Ethernet) WirelessHART™. É um controlador da Smar que traz ao mercado mais uma inovação. É um controlador com tecnologia digital aberta e integrável em sistemas baseados em HSE.
Uma rede de comunicação WirelessHART™é estruturada em malhas, onde cada sensor funciona como um “router” ou como um repetidor. Deste modo, o alcance de uma rede não depende apenas de um “gateway” central, o que permite a configuração de uma ampla estrutura de rede distribuída. É uma forma inteligente de se garantir que em uma situação de obstrução que possa causar a interrupção de um caminho de comunicação, o sistema remaneja e consiga rotas alternativas, aumentando e garantindo assim a disponibilidade da rede.
O WirelessHART™ adota uma arquitetura utilizando uma rede “Mesh” baseado no IEEE 802.15.4 operando na faixa de 2,4 GHz. Os rádios utilizam o método de DSSS (espalhamento espectral com seqüenciamento direto) ou salto de canais FHSS (Spread Spectrum de salto de freqüências) para uma comunicação segura e confiável assim como comunicação sincronizada entre os dispositivos da rede utilizando TDMA (Time Division Multiple Acess).
As redes “Mesh” permitem que os nós da rede comuniquem entre si estabelecendo caminhos redundantes até a base, aumentando a confiabilidade, pois se um caminho esta bloqueado existirão rotas alternativas para que a mensagem chegue ao seu destino final. Este tipo de rede também permite escalabilidade simplesmente adicionando mais nós ou repetidores na rede. Outra característica é que quanto maior a rede maior a confiabilidade porque mais caminhos alternativos são automaticamente criados.
Uma rede WirelessHART™ possui três dispositivos principais:
Figura 17 - Sistema Wireless com o DF100 (Controlador Smar HSE- WirelessHART™).
A figura 18 ilustra a arquitetura do WirelessHART™ de acordo com o modelo OSI. O stack do WirelessHART™ possui 5 camadas (layers): physical layer, data link layer, network layer, transport layer e application layer. Além disso, o network manager central é responsável por todo roteamento e scheduling da rede.
O TM adota uma arquitetura utilizando o meio físico em uma rede “Mesh” baseada no IEEE 802.15.4 operando na faixa de 2,4 GHz. Os rádios utilizam o método de DSSS (espalhamento espectral com seqüenciamento direto) ou salto de canais FHSS (Spread Spectrum de salto de freqüências) para uma comunicação segura e confiável assim como comunicação sincronizada entre os dispositivos da rede utilizando TDMA (Time Division Multiple Acess). Os canais são numerados de 11 a 26 com Gap de freqüência de 5 MHz entre dois canais adjacentes.
Figura 18 – HART – Modelo OSI
Figura 19– Channel hopping
Uma das características do WirelessHART™ é a sincronização da comunicação no data link layer. Opera na freqüência de 2.4 GHz ISM usando o Time Division Multple Access (TDMA) para sincronizar a comunicação entre os vários equipamentos da rede. Toda a comunicação é realizada dentro de um slot de tempo de 10ms. Slots de tempo formam um superframe.
O WirelessHART™ suporta chaveamento de canais (channel hopping) a fim de evitar interferências e reduzir os efeitos de esvanecimento multi-percurso (multi-path fadings). Canais onde existem interferências são colocados numa lista negra (Black List). Cada device wireless possui uma tabela de canais ativos e tem pelo menos 16 entradas. Para um determinado slot (figura 22) e offset de canal (que provê o canal lógico a ser usado em uma transação), o canal atual é dado pela fórmula:
CanalAtual = (Offset de canal + ASN) % NumChannels, onde ASN é o número absoluto do slot.
O canal atual é usado como um índex em uma tabela de canais ativos para que seja obtido o canal físico. Uma vez que o ASN é aumentando constantemente, o mesmo offset de canal pode ser mapeado em diferentes slots de tempo e desta forma aumenta-se a diversidade e confiabilidade da comunicação. A figura 20 mostra a arquitetura do Data Link Layer do WirelessHARTTM.
Figura 20 - Arquitetura do Data Link Layer do WirelessHARTTM
Figura 21 – Slot Timing do WirelessHARTTM
Estas duas camadas contribuem para a segurança e confiabilidade da comunicação. A figura 22 mostra a arquitetura do network layer do WirelessHARTTM.
Figura 22 - Arquitetura do network layer do WirelessHARTTM
Figura 23 – Estrutura NPDU do WirelessHART™
Para suportar a tecnologia de rede mesh cada equipamento WirelessHARTTM deve ser capaz de transmitir pacotes “em nome” de outros dispositivos. Há trê modelos de roteamentos definidos:
Figura 24 – Estrutura TPDU do WirelessHART™
A camada de aplicação é a camada mais alta no WirelessHARTTM. Ela define os comandos de diferentes dispositivos, as respostas, tipos de dados e relatórios de status. No WirelessHARTTM, a comunicação entre os dispositivos e gateways baseia-se em comandos e respostas. A camada de aplicação é responsável por analisar o conteúdo da mensagem, extrair o número do comando, executar o comando especificado, gerando respostas.Esta camada usa a camada de aplicação padrão do HART que é baseada em comandos, onde temos: universais, práticos comuns, específicos e os comandos wireless que foram definidos para atender esta tecnologia.
A rede WirelessHARTTM é um sistema de rede segura. Tanto a camada MAC quanto a camada de rede(network layer) fornecem serviços de segurança.
A camada MAC fornece integridade de dados hop-to-hop (mecanismo usado para controlar o fluxo de dados em uma rede, onde envolve não somenete o nós de origem e de destino, mas alguns ou todos os nós intermédios, permitindo que dados sejam transmitidos, mesmo que o caminho entre origem e destino não esteja permanentemente ligado durante a comunicação) usando a combinação de CRC (Cyclic Redundancy Check) e MIC ( Message Integrity Code).
O emissor e o receptor utilizam a modalidade CCM (É um algoritmo de criptografia autenticada projetado para fornecer autenticação e confidencialidade. É definido somente para cifras de blocos com um comprimento de bloco de 128 bits, AES-128) juntamente com a AES-128 (Advanced Encryption Standard) para gerar e comparar o MIC.
A camada de rede emprega várias chaves para garantir a confidencialidade e integridade dos dados de conexões (end-to-end connections). Quatro tipos de chaves são definidos na arquitetura de segurança:
Figura 25 - Comparação entre o PDU(protocol Data Units) do HART com o WirelessHARTTM
- Simples:
- Espeficicações do HART 7
-Confiável:
- Seguro:
- Redundância de caminho garantida:
- Meio Físico:
- Distâncias:
Instrumentos
Figura 26 - Comparação entre um equipamento com fio e um wireless
Gerente de Rede(Gateway)
Figura 27 – Controlador Smar HSE WirelessHART™ DF100
Para uma solução completa, acesse: https://www.smar.com.br/pt/wireless
É a habilidade de uma solução de automação sem fio operar sem falhas, sem erros e confiavelmente na presença de outras soluções sem fio.
Percurso, frequência, tempo, potência, espaço e técnicas de codificação são 6 mecanismos conhecidos ou parâmetros que podem ser modificados para permitir a coexistência.
Esses mecanismos são chamados de: “Técnicas de Diversidade”:
o Propicia comunicações determinísticas e livres de colisões.
o A comunicação entre dois instrumentos acontece num time slot.
o Uma coleção de time slots, que se repete ciclicamente, compõe um Superframe.
Cada transmissão ocorre em uma janela de 10ms chamado de " time slot " e em um dos 16 canais com sincronismo muito preciso.
Se a comunicação não for necessária, os dispositivos entram em um modo de hibernação para economizar energia.
Figura 28 – TDMA – Time Slot
TDMA Controla Prioridade, Velocidade, Potência etc. Tudo ao mesmo tempo.
• Técnica de modulação (p. ex, como AM e FM).
• Dados transmitidos, a cada instante, numa frequência previamente acordada entre o transmissor e receptor.
o Existem 16 canais de frequência definidos pelo padrão de rádio IEEE 802.15.4. Essa diversidade de frequência:
• Aumenta a segurança
· Tornando a vida dos “bisbilhoteiros “mais difícil.
• Reduz a possibilidade de interferência entre redes sem fio vizinhas
· Potencializando a coexistência.
• FHSS é uma tecnologia muito robusta, com pouca influência de ruídos, reflexões, outras estações de rádio ou do ambiente.
• Além disso, permite um número grande de sistemas ativos simultaneamente na mesma área.
Figura 29 – FHSS
Essa técnica possui as seguintes vantagens:
E as seguintes desvantagens:
O Network Manager pode reconfigurar os instrumentos na rede para evitar (pular) certos canais de freqüência porque:
- Sabe-se de antemão que outra rede sem fio pode interferir na rede WirelessHART™;
- Em operação, algumas freqüências apresentam baixas eficiência e confiabilidade para o transporte de mensagens.
Fornece uma densidade espectral da potência espalhando a potência do sinal sobre uma faixa de freqüência larga. Possui boa imunidade a ruídos.
Figura 30 - DSSS
Cada tempo de bit é dividido em “n” intervalos denominados de chips. Cada estação possui uma seqüência pseudo–randômica de “n” bits, chamada seqüência de chips. Para enviar o bit 1, uma estação envia uma seqüência de chips. Para enviar o bit 0, é enviado o complemento de sua seqüência de chips.
Vantagens:
E as desvantagens são:
Figura 31 – Equipamentos Smar WirelessHART™
Sem dúvidas a tecnologia WirelessHART™traz uma nova dimensão ao mundo da automação de processos. Baseada no consagrado protocolo HART, o WirelessHART™ estende o alcance da instrumentação de processos de uma forma compatível com os sistemas e procedimentos existentes. Neste guia são sugeridos alguns passos para uma instalação WirelessHART™ bem sucedida.Acompanhe as figuras 32 a 36.
1. Quais os objetivos para o projeto – monitoração da PV, controle não-crítico ou monitoração condicional de instrumentos. A resposta para estas perguntas irá afetar os equipamentos que você selecionar – equipamentos alimentados por bateria ou adaptadores WirelessHART™, por exemplo. Como parte do escopo, tenha certeza de verificar previamente: área de cobertura da rede, densidade da área e instrumentação primária e secundária.
2.Existem várias maneiras de planejar uma rede e distribuir os equipamentos. Estas são similares à alocação de instrumentos em cartões de E/S em um controlador/CLP, no entanto, existem algumas novas considerações como localização do gateway e taxa de atualização dos parâmetros.
3.WirelessHART™não deve causar muitas complicações, desde que se executem corretamente alguns pontos novos, como os parâmetros Network-ID, Join Key e Taxa de Atualização.
4. Aqui a ênfase é na utilização de protocolos existentes (Modbus – Profibus) para integração do host e ferramentas existentes para configuração dos instrumentos. A nova consideração é segurança - e ela existe!
Não se esqueça de que estamos tratando de uma rede MESH, onde os equipamentos não necessitam estar ao alcance do gateway desde que estejam próximos a outro equipamento da rede sem fio. Desta forma:
Os equipamentos WirelessHART™são basicamente os mesmos quando tratamos de suas características wireless. O equipamento deve ser registrado na HCF para se garantir bom desempenho e interoperabilidade com outros fabricantes.
Verifique o alcance da antena dado que alguns equipamentos podem oferecer opções de antena que alteram as características de distância.
Configuração de Fábrica – Decida se você deseja que o Network ID e Join Key já venham configurados do fornecedor (quando oferecido).
Um handheld HART ou ferramenta de PC lhe permitirá inserir instrumentos à rede. Redes que estejam em áreas comuns devem possuir diferentes Network ID’s.
1. Instale e energize o gateway.
2. Se não tiver sido especificado pelo cliente no momento do pedido, os valores de Network ID e Join Key do gateway e dos equipamentos estarão com o valor default de fábrica.
Obs: É fortemente recomendado que ambos sejam alterados!
Para alterar estes parâmetros instale o gateway e todos os equipamentos da rede seguindo os passos a seguir. Depois que a rede estiver funcionando plenamente será mais prático alterá-los.
3. A configuração dos equipamentos deve ser realizada de forma individual, inicializando-se pelos mais próximos ao gateway e afastando-se até o mais distante para que a comunicação vá sendo estabelecida corretamente.
4. Instale os equipamentos sempre com a antena na direção vertical. Caso o equipamento seja instalado na horizontal, consulte a Smar para adquirir a antena para montagens horizontais, de forma a ficar 90° com o equipamento;
5. Ligue o equipamento pela chave a esquerda do display e aguarde até que se conecte à rede (este tempo pode variar de 2 minutos a até 20 minutos, dependendo do tamanho da rede). O status do equipamento na rede poderá ser verificado via display, porta de manutenção ou gateway.
Atenção:Se o equipamento não foi adquirido juntamente com o gateway, ou seja, se o gateway já tem valores de Network ID eJoin Key diferentes dos valores de fábrica, é necessário que se configure estes parâmetros no equipamento para que o mesmo se conecte corretamente à rede: configure primeiramente Network ID e, em seguida,Join Key, reinicializando o equipamento após as configurações.
6. Assim que estes passos forem realizados para todos os equipamentos da rede e os mesmos estiverem conectados corretamente, é chegada a hora de alterar os valores de Network ID e Join Key de fábrica seguindo as instruções do final do passo 4 (caso já não tenham sido alterados). Network ID é um número qualquer entre 0 e 36863 e identifica a rede entre outras. Join Key é uma chave de 32 caracteres hexadecimais (0-9 ou A-F) e funciona como chave de acesso dos equipamentos à rede configurada.
7. Configure o parâmetro LongTAG que identifica o equipamento na rede.
8. Verifique se as unidades de engenharia do equipamento estão de acordo com as requeridas pelo processo.
9. Configure os parâmetros do modo Burst para publicar as medições e status desejados:
10. Após um tempo de negociação com o gateway o equipamento começará a publicar o comando configurado a uma taxa de tempo mínimo configurado. O ícone ACK é mostrado no display (se disponível) quando o equipamento entra em modo Burst e o ícone F(t) pisca no momento em que o comando de Burst é enviado.
Atenção: As configurações do modo Burst permanecerão mesmo após o desligamento do equipamento, ou seja, quando religado, o equipamento se conectará à rede automaticamente em modo Burst com os mesmos tempo e comando configurados.
Após a configuração geral da rede, aguarde um período de cerca de 1 hora para que a rede passe a funcionar de forma 100% otimizada.
Atenção:Existe um parâmetro de estimativa de tempo de vida da bateria que indica a expectativa de duração, em dias, do equipamento. Quando este valor estiver próximo do fim, o usuário receberá um alarme no status do equipamento e no display (quando disponível).
O processo de instalação dos equipamentos WirelessHART™ é muito parecido ao utilizado em equipamentos HART com fio. Considerando que não existem fios e cabos, os equipamentos WirelessHART™ podem ser instalados assim que a infra-estrutura da planta esteja pronta e segura.
Identifique qual a distância a ser considerada de acordo com o tipo de ambiente a se instalar o equipamento:
Condições que reduzem significativamente o alcance dos equipamentos incluem montar o equipamento próximo ao solo, abaixo do nível do solo ou sob água, pois o sinal RF é absorvido pelo solo ou pela água e não se propaga. Além disso, montar o equipamento fora da área da rede (gateway), por exemplo, considerando uma rede em ambiente aberto, instalar o equipamento dentro de uma sala fechada também contribui para a atenuação do sinal, afinal o sinal não se propagará muito bem por concreto, madeira, etc.
Figura 32 – Prática recomendada entre equipamentos e o gateway WirelessHART™
Figura 33 – Prática recomendada – Equipamentos WirelessHART™ e vizinhos
Figura 34 – Prática recomendada – Antenas x obstáculos
Figura 35 – Prática recomendada – Antenas de Gateways e repetidores
Figura 36 – Prática recomendada – posicionamento dos equipamentos
- Possibilita cobrir aplicações nunca atendidas!
É importante a adoção de soluções abertas (Fieldbus), onde os benefícios da tecnologia digital são decisivas e garantem condições de intercambiabilidade, interoperabilidade, integração com sistemas convencionais e futuras expansões, protegendo investimentos, criando sistemas com ciclo de vida maior.
O fator tecnológico e a inovação tecnológica são responsáveis pelo rompimento e/ou aperfeiçoamento das técnicas e processos de medição e controle. Pode, desta forma, trazer ganhos em termos de competitividade. O rompimento com a tecnologia convencional será uma questão de tempo e com isto serão ampliadas as possibilidades de sucesso com a inovação demandada pelo mercado, neste caso sistemas de automação verdadeiramente abertos ( https://www.smar.com.br/pt/system302), com tecnologias digitais, baseado em redes industriais, conectividade Wireless e com várias vantagens comparadas aos convencionais SDCDs.
A mudança do controle de processo da tecnologia 4-20mA 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.
Aguardem os próximos artigos sobre o WirelessHART™.
