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HART®: ADICIONANDO UMA SAÍDA 4-20 mA

INTRODUÇÃO
                                                      
HART® (Highway Addressable Remote Transducer) é um protocolo de comunicação bidirecional, introduzido em 1990. Utilizado em plantas industriais, no qual controla de modo padronizado o envio e recebimento de dados digitais através de cabos analógicos, entre dispositivos inteligentes e sistemas host (centralizado), é o protocolo mais difundido no mundo.
 
O host pode ser qualquer aplicativo de software, dispositivo portátil, sistema de segurança, gerenciamento de ativos, controle de processos da fábrica ou qualquer outro sistema que utilize alguma plataforma de controle.

HART é a tecnologia mais utilizada atualmente nas redes de automação industrial, instalada em mais de 30 milhões de dispositivos em todo mundo, oferecendo uma solução confiável e duradoura.

Os dados digitais são comunicados simultaneamente com o sinal 4-20 mA, utilizando o padrão Bell-202 de chaveamento por deslocamento de frequência FSK (Frequency Shift Key) a uma taxa de 1200 bps.

A corrente de saída 4-20 mA dos equipamentos HART® se refere à variável principal do equipamento, conhecida como PV (Primary Variable), variando de acordo com a família do equipamento. Desta forma, um transmissor de temperatura possui como PV a temperatura medida no sensor a ele conectado, um transmissor de pressão possui como PV a pressão calculada em relação ao seu sensor, um transmissor de posição possui como PV a posição por ele medida no sistema atuador/válvula e assim por diante.
 
VARIÁVEL PRIMÁRIA X SAÍDA ANALÓGICA

Na maioria dos casos, o equipamento HART® possui apenas uma saída analógica 4-20 mA, justamente relacionada à sua PV. Porém, algumas aplicações exigem medições de duas variáveis para que lógicas sejam executadas no sistema e realizem o controle programado. Além disso, existem casos de equipamentos que possuem variáveis extras, importantes ao sistema, mas que não estão relacionadas a uma saída analógica do mesmo.

Uma saída para estes casos seria utilizar um equipamento para cada variável medida, proporcionando ao sistema receber um sinal 4-20 mA de cada um dos equipamentos, associando estes sinais com as variáveis esperadas pelo controle.

No exemplo da Figura 1, o sistema necessita das variáveis analógicas de temperatura e densidade do fluido. Sendo assim, o processo poderia receber um transmissor de temperatura com saída 4-20 mA e um transmissor de densidade também com saída 4-20 mA.

                           
Figura 1 - Aplicação com dois transmissores.

 
Porém, imagine que o transmissor de densidade utilizado também possua a medição de temperatura em seus sensores, já que se trata de uma grandeza utilizada para o próprio cálculo da densidade. O usuário poderia economizar o uso do transmissor de temperatura, desde que conseguisse extrair um canal adicional 4-20 mA do transmissor de densidade.

Pensando nessa aplicação, a Vivace Process Instruments projetou o VHC10, seu conversor HART® 4-20 mA. Com um custo bem inferior a um transmissor de campo tradicional, o conversor é instalado no painel do sistema e se comunica com o equipamento de campo através de um canal HART® apenas. Podendo ser configurado para trabalhar com qualquer revisão de equipamento HART®, permite a configuração do endereço do equipamento de campo e qual a variável a ser monitorada.
 
 
                                                                                                                                      Figura 2 - Conversor HART® 4-20 mA VHC10.
              
Utilizando o exemplo da Figura 1, o conversor poderia ser conectado ao transmissor de densidade, configurando a variável monitorada para temperatura (Figura 3). Desta forma, definindo a unidade da variável e sua faixa de trabalho 0% a 100% (por exemplo, de 0 °C a 150 °C), o conversor externará ao sistema uma corrente 4-20 mA proporcional ao valor de temperatura monitorado do transmissor de densidade.
 

Figura 3 - Conversor HART® 4-20 mA VHC10 associado ao transmissor de densidade.
 
Nesta aplicação, o conversor HART® 4-20 mA monitora a variável temperatura do transmissor de densidade, funcionando como um mestre HART® ao enviar requisições periódicas de leitura desta variável. Note na figura que uma interface HART® USB é utilizada para comunicação/configuração do transmissor pelo host que é executado no computador. Este mesmo canal é ligado ao conversor, permitindo configurá-lo como um equipamento comum. Logo, para o host, o conversor é um escravo HART® e para o transmissor de densidade, um mestre HART®.

Com a correta configuração do endereço de polling do equipamento (geralmente zero), o conversor é capaz de identificar o transmissor em seu canal HART® e estruturar o frame HART® que será enviado, incluindo o endereço completo e os comandos a serem enviados, de acordo com a versão do mesmo. Para mais detalhes sobre a estrutura do frame HART®, acesse o artigo "HART® 7: Detalhando o Protocolo", no site da Vivace.
 
Note que na configuração da Figura 1 o transmissor de densidade possui dois mestres HART® conectados, sendo um deles o host no computador e o outro o conversor HART® 4-20 mA. Isso significa que ambos estão autorizados a enviarem comandos (sejam de configuração ou monitoração) e o controle de temporizações e organização dos frames na linha fica sob responsabilidade de cada mestre, já que o protocolo HART® prevê estas situações.

O conversor é designado como mestre primário na rede, tendo prioridade nos tempos de envio de requisições para o transmissor. O host do computador fica designado como mestre secundário (geralmente os configuradores e softwares auxiliares), verificando sempre a linha de comunicação antes de qualquer requisição ao transmissor, a fim de evitar algum tipo de colisão ou interferência nos frames HART®.

Um outro exemplo de aplicação, ligeiramente diferente, seria a monitoração de um posicionador de válvulas. Os posicionadores, como equipamentos de saída (por gerarem um sinal ao elemento final de controle, como um atuador),  geralmente não possuem saída analógica para o sistema. 

Seu funcionamento tradicional  recebe um sinal de corrente 4-20 mA para gerar o correto posicionamento da válvula (Figura 4). Em alguns casos, porém, é interessante monitorar o real posicionamento da válvula de forma analógica e, para isso, seria necessária a instalação de um transmissor de posição no mesmo conjunto da válvula para que fosse possível gerar o sinal analógico proporcional à posição medida por ele.

 

Figura 4 - Aplicação convencional de um posicionador HART®.

Os posicionadores, como elementos inteligentes de posicionamento e atuação, necessitam da verificação da posição real da válvula, a fim de realizar o controle PID deste posicionamento, aumentando ou diminuindo seu sinal de saída. Logo, a medida de posição real já existe no posicionador, mas, assim como no caso do transmissor de densidade, não é externada como um sinal analógico 4-20 mA.

Com a utilização do conversor HART® 4-20 mA, basta que a configuração seja realizada para que esta variável da posição seja monitorada no posicionador, ajustando seus limites para 0% e 100%, por exemplo. A Figura 5 exemplifica este modelo de utilização do conversor, adicionando um canal de saída 4-20 mA a um posicionador de válvulas, gerando um retorno analógico real ao sistema de automação do usuário.

Para os casos de alarme, onde a variável medida extrapola a faixa normal de trabalho configurada pelo usuário, o conversor VHC10 ainda oferece as correntes fixas de saturação padrões, definidas pela norma NAMUR NE43, indicando ao sistema a falha na medição.

Em caso de saturação inferior, a corrente de saída entrará em modo fixo com o valor de 3,8 mA (equivalente a -1,25% da faixa 4-20 mA). Já no caso de saturação superior, a corrente de saída será fixada em 20,5 mA (equivalente a 103,125% da faixa 4-20 mA).
 

Figura 5 - Conversor HART® 4-20 mA VHC10 associado ao posicionador de válvulas.
 
CONCLUSÃO

A utilização do conversor HART® 4-20 mA proporciona um meio mais econômico e simples de acrescentar um canal de corrente analógica para monitoração das variáveis desejadas do sistema. Sua utilização é indicada em casos onde o equipamento utilizado já possua outra variável de processo e que esta não esteja sendo por ele externada ao controle central.

As principais vantagens da utilização de um conversor HART® 4-20 mA são:
  • Instalação em painel que evita adaptações física, suportes e alimentação extra no campo;
  • Economia e simplificação da instalação;
  • Economia de um transmissor extra para o canal desejado;
  • Compatibilidade com todas as versões do HART®, incluindo HART® 7;
  • Configuração livre da variável a ser monitorada;
  • Configuração da faixa de trabalho, de acordo com a necessidade do usuário;
  • Alarmes de corrente de saturação segundo NAMUR NE43.

Sobre os autores

Alex Ginatto é Gerente de Produto e Desenvolvedor R&D na Vivace Process Instruments.

César Cassiolato é Presidente e Diretor de Qualidade da Vivace Process Instruments. É também Conselheiro Administrativo da Associação PROFIBUS Brasil América Latina desde 2011, onde foi Presidente de 2006 a 2010, Diretor Técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS, Diretor do FDT Group no Brasil e Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester


Referências
  • Manuais Vivace ProcessInstruments
  • Artigos Técnicos César Cassiolato
  • www.vivaceinstruments.com.br
  • Material de treinamento e artigos técnicos PROFIBUS - César Cassiolato
  • Especificações técnicas PROFIBUS
  • www.profibus.com

Referências
  • HART HCF-Spec081
  • HART HCF-Spec099
  • HART HCF-Spec127r7.1
  • HART HCF-Spec151r10.0
www.hartcomm.org