INTRODUÇÃO – PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO NA ÁREA INSDUSTRIAL

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PROTOCOLO HART E MODBUS RTU

SEMINÁRIO DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE

ALUNOS: LUCAS LEAL, SAMUEL SANTOS, RAFAEL NASCIMENTO, NATHALIE NOGUEIRA E ARTUR PRUDENTE

PROFESSOR: CARLOS ANIBAL DIAS

INTRODUÇÃO – PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO NA ÁREA INSDUSTRIAL

Com o desenvolvimento das tecnologias, a digitalização de sinais e o surgimento das redes a área industrial buscou adequar-se a novos padrões de gerenciamento da produção pautada nas vantagens que essas tecnologias ofereciam. Basicamente buscou-se integrar controladores, indicadores, PLS e interfaces HM (homem máquina) em redes capazes de automatizar processos e tornar possível o acompanhamento da produção remotamente.

Para tornar possível a comunicação entre os dispositivos, tanto na área industrial como nas redes mais tradicionais, surgiram protocolos de comunicação. Um protocolo define convenções que possibilitam conexão, comunicação e transferência de dados entre dispositivos.

Nos anos 80 esforço considerável foi utilizado com o objetivo de padronizar redes industriais, o que resultou no surgimento do padrão Fieldbus. Nessa arquitetura existe basicamente uma interface HM no topo ligada eletricamente via uma comunicação de tempo não-critico a PLCs que gerenciam dispositivos industriais como sensores, atuadores, motores, etc.

Basicamente, do padrão Fieldbus surgiram variações que competem comercialmente como é o caso do MODBUS RTU, que teve início de desenvolvimento paralelo ao do padrão em 1979. Além disso, existem implementações do Fieldbus que levam outros nomes, como é o caso do Protocolo HART, que também é pauta deste trabalho.

O PROTOCOLO HART

1. Visão geral e possibilidades:

O protocolo HART (Highway Adressable Remote Transducer Protocol) é uma das primeiras implementações do padrão Fieldbus. Ele é conhecido por manter as linhas padrões de 4 a 20 mA possibilitando, por sobre elas, a implementação do protocolo através de técnicas de modulação de sinais discretos. Essa modulação se dá através da técnica FSK (Frequency Shift Keying), na qual sinais analógicos tem sua frequência alterada entre dois níveis, indicando bits 0 ou 1. Essa modulação acontece de modo simultâneo a propagação do padrão 4 – 20 mA, o que possibilita dois conjuntos de amplicação para o protocolo:

• Ponto a ponto: no qual o padrão 4 – 20 mA informa determinada variável e simultaneamente a modulação informa uma outra variável independente. Exemplo: temperatura e pressão.
• Multidrop: no qual apenas o padrão modulado é utilizado e é possível ligar vários equipamentos no mesmo barramento e monitorá-los. O numero de equipamentos varia com a versão do protocolo. O HART 6 atualmente possibilita a ligação de 63 equipamentos, todos com endereços diferentes.

É necessário salientar que o uso deste protocolo está condicionado ao suporte do equipamento o qual deseja-se monitorar. Atualmente a maioria esmagadora dos aparelhos industriais são compatíveis com esse protocolo.

1. Funcionamento e implementação:

Como dito anteriormente, o HART funciona com o sinal padrão de 4 – 20 mA com uma modulação FSK sobreposta a ele, possibilitando comunicação digital da qual são extraídas 0 e 1s formando uma palavra digital, denominada pacote.

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Figura 1 – Sinal analógico sobreposto com digital modulado em FSK.

Através de um modem especifico, a variação da frequência indica 0s e 1s que são interpretados e é construída uma palavra padrão que tem a seguinte estrutura:

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Figura 2 – Palavra binária do protocolo HART.

Dessa forma, os equipamentos podem ser interligados em um barramento e monitorados, como mostra a figura 3:

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Figura 3 – Estrutura da implementação do protocolo HART em uma configuração multidrop.

Basicamente, é necessário 1) alimentação, 2) MODEM para interpretação do protocolo 3) equipamentos compatíveis 4) um barramento, cujo padrão de acordo com a camada física pode ser o RS232/USB e 5) uma interface HM que no caso é chamado de mestre primário. É a partir dele que podem ser monitaradas e controladas as variáveis. De acordo com a figura, também é possível a monitoração remota através de um mestre secundário.

1. Especificações:

• Camada física: modulação FSK, taxa de comunicação de 1200 bps. As frequências que representam 0s e 1s são 2.2kHz e 1.2kHz
• Camada de enlace: define o protocolo mestre/escravo. Um dispositivo só responde quando solicitado.
• Camada de rede: define o roteamento, segurança e as sessões para o gerenciamento ponto a ponto com o dispositivo correspondente.
• Camada de transporte: garantia de comunicação.
• Camada de aplicação: define comandos e respostas, tanto de modo geral como para dispositivos específicos interfaceados.

O PROTOCOLO MODBUS RTU

O protocolo MODBUS foi criado por uma fabricante de CLPs no final da década de 70. Seu desenvolvimento foi praticamente paralelo a padronização Fieldbus e por ser tão antigo e de fácil implementação, é um protocolo muito utilizado hoje em dia devido ao elevado número de CLPs no ramo industrial e a necessidade de integrá-los de maneira inteligente.

O nome RTU vem de Remote Terminal Unit (unidade remota), e a outra especificação do protocolo pode ser o ASCII, que tem variações na quantidade de bits transmitidos.

Basicamente, o intuito inicial do protocolo Modbus RTU foi interligar CLPs com suporte a interface RS-232, Ethernet ou RS-485, mas suas aplicações se estendem a computadores de supervisão, terminais de operação, medidores e indicadores de variáveis.

2. Funcionamento e implementação:

De modo geral, o protocolo Modbus RTU tem o intuito de interfacear saídas de rede de terminais de controle (exemplo: portal serial – COM – de um computador, com uma entrada RS-232 de um CLP), trazendo elementos de endereçamento, tratamento de erros e comandos para monitoração de variáveis e acesso remoto.