O que é o protocolo HART? Tudo o que você sempre quis saber!

O protocolo HART é uma das tecnologias de comunicação mais amplamente utilizadas em instrumentos de campo para sistemas de automação industrial.

Sua principal característica é a capacidade de combinar a confiabilidade e simplicidade do sinal analógico 4-20 mA com a flexibilidade da comunicação digital.

Essa combinação tornou o protocolo HART um padrão consolidado em diversas indústrias, especialmente por ser compatível com as malhas 4-20 mA existentes, reduzindo os custos e diminuindo a complexidade quando comparada com a implantação de malhas de controle totalmente digitais.

Neste artigo, apresentamos em detalhes o protocolo HART. Discutimos a sua origem histórica, explicamos como ele funciona, e como ele se integra ao sinal 4-20 mA para permitir a configuração remota, realização de diagnósticos e leitura de múltiplas variáveis em instrumentos de campo.

O que é o protocolo HART?

O HART (do inglês, Highway Addressable Remote Transducer, traduzido aproximadamente como Transdutor Remoto Endereçável em Malha) é um protocolo de comunicação digital desenvolvido na década de 1980 pela empresa Rosemount e formalizado como padrão aberto em 1993 pela HART Communication Foundation (HCF), também conhecida como HART Foundation.

O protocolo HART permite a comunicação entre dispositivos de campo (transmissores e atuadores) e um dispositivo host ou mestre, utilizando o mesmo par de fios que transmite o sinal analógico 4-20 mA. O host pode ser o sistema de controle de um processo, um dispositivo handheld, ou até mesmo um tablet, smartphone ou notebook quando acompanhado de uma interface que permite a comunicação HART:

A tecnologia de transmissão de sinais utilizada pelo protocolo HART é conhecida como comunicação sobreposta. Nesse tipo de comunicação, o sinal digital é modulado sobre o sinal analógico, sem interferi-lo de forma significativa. Por conta disso, o HART é comumente classificado como um protocolo de comunicação híbrido, pois combina comunicação digital com a sinalização analógica 4-20 mA.

Ao longo dos anos, o protocolo HART passou por revisões, e atualmente se encontra na revisão HART 7. Além da versão tradicional do HART, que ainda é a mais difundida na indústria, com o passar do tempo foram criadas variações do protocolo, como o WirelessHART em 2008 (versão do protocolo que utiliza redes sem fio para transmissão dos dados) e o HART-IP em 2012 (para transmissão de dados em redes IP, com ou sem fio).

Em 2015 a organização FieldComm Group sucedeu a HART Communication Foundation (HCF) como a responsável por zelar pelo protocolo HART. Além do HART, o FieldComm Group também mantém o protocolo FOUNDATION Fieldbus (FF).

O HART é um protocolo aberto. Isso significa que as suas especificações são acessíveis e podem ser utilizadas por qualquer pessoa ou organização, sem custo. As especificações do protocolo, incluindo comandos universais, meios físicos, documentos de teste, entre outras informações, estão disponíveis gratuitamente no site do FieldCommGroup.

Por que o protocolo HART foi criado?

O protocolo HART surgiu para suprir a necessidade de configuração remota, diagnóstico avançado e leitura de múltiplas variáveis, sem abandonar a estrutura já consolidada dos sistemas de controle com sinal 4-20 mA.

Até então, os instrumentos analógicos não possuíam uma forma padronizada de acessar informações e realizar configurações como:

• Ver e modificar faixa de medição e unidades do equipamento
• Ajustar a saída 4-20 mA
• Ajustar as medições do instrumento
• Verificar número de série, TAG e outras informações descritivas
• Monitorar valor das medições de outras variáveis que não a variável primária indicada pelo sinal 4-20 mA
• Verificar status detalhado do dispositivo (alertas específicos e condições de operação)

Alguma dessas funções, como o ajuste da saída do sinal 4-20 mA, eram realizadas manualmente através de potenciômetros ou botões, impossibilitando a manutenção remota. Além disso, sem um protocolo aberto e amplamente adotado como o HART, a configuração dos equipamentos não era padronizada, visto que cada fabricante poderia criar seu próprio método ou protocolo de comunicação para realizar ajustes e alterações nas configurações do instrumento, tornando o cenário do comissionamento e manutenção industrial extremamente fragmentado.

Com o protocolo HART, essas funcionalidades tornaram-se acessíveis e padronizadas, facilitando o comissionamento e a manutenção, porém mantendo a confiabilidade do sinal analógico 4-20 mA como base.

Como o protocolo HART funciona sobre o sinal 4-20 mA: a camada física do protocolo

Para transmitir sinais digitais, o HART utiliza um método chamado FSK (Frequency Shift Keying, ou modulação por chaveamento de frequência), que permite transmitir dados digitais (bits) através de ondas de corrente alternada com frequências diferentes.

Essas ondas são enviadas em duas frequências, uma representando o valor 0, e a outra o valor 1. No caso do protocolo HART, a modulação utilizada é a baseada no padrão Bell 202, que utiliza a frequência de 1200 Hz para representar o valor 1 e a frequência de 2200 Hz para representar o valor 0.

Cada frequência é transmitida por um intervalo de 833 microssegundos, resultando em uma velocidade de comunicação de 1200 bits por segundo (bps):

Essas ondas são sobrepostas ao sinal de 4-20 mA, permitindo a transmissão de dados digitais sem comprometer a sinalização analógica. As razões para essa transmissão digital através de modulação em frequência não afetar o sinal 4-20 mA são várias.

Primeiro, como a amplitude dessas ondas é especificada em aproximadamente 0,5 mA, um valor pequeno em relação a faixa de 4-20 mA, a comunicação HART não gera alterações extremas no valor do sinal analógico.

Além disso, como as ondas causam variações simétricas de +0,5 mA a -0,5 mA sobre o valor do sinal 4-20 mA, na média o seu impacto no sinal é anulado.

Por fim, como essas ondas possuem alta frequência em relação ao sinal 4-20 mA, elas podem ser eliminadas através de um filtro passa-baixo, acabando com qualquer influência indevida sobre o sistema de medição e controle analógico.

Essa especificação faz parte do que chamamos de camada física ou camada 1 do protocolo, e é detalhada no documento HCF_SPEC-54 da norma HART.

Como podemos observar, a sinalização de 4 a 20 mA é mantida, enquanto os dados digitais do protocolo HART trafegam simultaneamente no mesmo par de fios através de pequenas ondas com frequência de 1200 Hz ou 2200 Hz.

Alguns pontos que podemos ressaltar sobre a transmissão de dados no protocolo HART:

• A comunicação HART não interfere significativamente no controle de processo baseado em 4-20 mA, e é possível ler e escrever dados no instrumento ao mesmo tempo que o instrumento sinaliza o valor da sua medição principal através da saída 4-20 mA
• Por ser transmitido através de sinais de corrente, o protocolo HART compartilha a mesma propriedade do sinal 4-20 mA de robustez contra interferências eletromagnéticas e resistência à degradação.
• Por conta disso, a comunicação HART tem uma distância teórica de transmissão de até 3000 metros. Na prática, com a utilização do cabeamento adequado e as devidas precauções, distâncias de 1000 metros podem ser atingidas.
• A comunicação é bidirecional – isso é, o host pode tanto enviar informações para o instrumento de campo, quanto receber informações de volta do instrumento.
• Apesar de ser bidirecional, a comunicação não pode ser feita de forma simultânea (enviar e receber informações ao mesmo tempo). Se dois instrumentos tentarem enviar informações ao mesmo tempo, haverá um conflito nas ondas moduladas, visto que o loop de 4-20 mA forma um circuito fechado.
• Para resolver esse problema, o HART implementa um tipo de comunicação de comando e resposta: em um primeiro momento um comando é enviado para o instrumento, que em seguida envia uma resposta (por exemplo, valor de variáveis ou a confirmação de alguma alteração nas suas configurações).
• A combinação da comunicação bidirecional com a comunicação não-simultânea torna o HART o que chamamos de um sistema de comunicação half-duplex.

Existem outras implementações do protocolo HART que não utilizam a modulação FSK, como a especificação C8PSK (modulação por chaveamento de fase, que permite aumentar a velocidade de transmissão para 9600 bps mantendo a base 4-20 mA) e a especificação de radiofrequência 2.4 GHz (para comunicação sem fio utilizada no WirelessHART). No entanto, a modulação FSK é por ampla margem a mais utilizada em processos industriais que precisam manter a compatibilidade com sinais 4-20 mA, e por isso iremos focar nela no restante deste artigo.

Leia também: O que é o padrão de sinal 4-20 mA e qual é a sua função na instrumentação e automação de processos industriais?

A malha HART: ligações, componentes e suas funções

Uma vez que entendemos como os sinais do protocolo HART são transmitidos no nível físico, precisamos entender como os dispositivos HART são ligados na malha para garantir a correta comunicação entre eles.

O protocolo HART especifica dois tipos de ligação: ponto-a-ponto, na qual cada malha pode ter apenas um dispositivo transmissor que controla o sinal 4-20 mA, e multidrop, na qual múltiplos transmissores podem ser colocados em uma mesma malha, porém com o efeito negativo da sinalização 4-20 mA ser perdida.

Ligação Ponto-a-Ponto

As malhas HART convencionalmente utilizam ligação ponto-a-ponto, com um único instrumento de medição (transmissor) por malha. Uma malha ponto-a-ponto com um transmissor HART alimentado pela própria malha (loop powered)é ilustrada na figura abaixo:

Essa malha é composta por três elementos:

• Fonte de alimentação: Fornece a energia à malha 4-20 mA + HART. Normalmente possui tensão de 24 Vcc. A especificação HART define limites de ruído e distorção que essa fonte deve seguir para permitir a comunicação HART, portanto verifique se a sua fonte é compatível antes de utilizá-la em uma malha do HART.
• Transmissor HART: Dispositivo que lê variável do processo e a transforma em um sinal de corrente 4-20 mA. Além disso, pode receber comandos e responder informações por sinais HART através do mesmo par de fios do sinal 4-20 mA.
• Resistor de carga/”Resistor HART”: Esse resistor garante que a malha possua a impedância necessária para permitir a comunicação HART, e deve ser colocado em série com o transmissor e a fonte.

A norma do protocolo HART especifica que o valor do resistor de carga deve ser entre 230 ohms e 600 ohms para malhas com transmissores, sendo o valor de 250 ohms comumente utilizado pois permite também a conversão do sinal 4-20 mA em um sinal de 1-5 V.

Esse resistor pode parecer desnecessário, mas sem ele a fonte de alimentação atuaria como um filtro para os sinais HART, impedindo a comunicação. Algumas fontes específicas para instrumentação industrial já possuem um resistor de carga integrado, facilitando a comunicação com os instrumentos da malha. Além disso, em malhas com cabos extremamente longos (próximos ou maiores que 1 km), a resistência dos cabos pode ser suficiente para garantir que a malha tenha a impedância necessária para a comunicação HART.

Como a malha HART ponto-a-ponto mantém o padrão de sinal 4-20 mA, a grande maioria das malhas nessa configuração também irão incluir um dispositivo leitor de corrente 4-20 mA (indicador analógico, entrada analógica de CLP etc.) que irá realizar a medição da saída analógica do transmissor e irá utilizá-la no sistema de controle do processo. Apesar do leitor de corrente estar incluso na maioria das malhas HART, iremos omiti-lo na discussão a seguir para focar nos outros elementos da malha.

O host ou mestre HART deve ser conectado em paralelo ao transmissor HART (pontos A e B nos diagramas abaixo) ou em paralelo ao resistor de carga (pontos B e C). Caso o host seja ligado em paralelo com a fonte (pontos A e C), a comunicação não será possível, pois a fonte irá filtrar os sinais HART (a não ser que a fonte de alimentação já inclua uma resistência de carga adequada).

No caso de malhas HART com atuadores, o resistor de carga é desnecessário.

Nessas malhas, o atuador será controlado por um dispositivo de saída de corrente (por exemplo, a saída analógica de um CLP), que possui alta impedância. Quando ligado ao atuador, que normalmente possui uma resistência entre 300 ohms e 1000 ohms, o circuito já possuirá a impedância adequada para comunicação HART, e por isso o host pode ser conectado em paralelo ao atuador.

No caso de malhas com atuadores, podemos também conectar mais de um dispositivo em série de modo que uma única saída do CLP controle múltiplas válvulas. Nesse tipo de malha, o host dever ser conectado em paralelo com todos os atuadores para garantir a comunicação com todos os instrumentos. Além disso, a subseção 7.5.3 da especificação HCF_SPEC-54 deve ser checada para garantir o casamento de impedâncias adequado para comunicação HART a longas distâncias.

O protocolo HART diferencia entre um host/mestre primário e um host/mestre secundário. O host primário é considerado o dispositivo principal que inicia a comunicação com os instrumentos HART. Normalmente, ele faz parte do sistema de controle do processo (por exemplo, é integrado ao CLP ou DCS que controla a malha), e possui prioridade na comunicação com os instrumentos de campo. Além disso, muitas vezes o host primário fornece a alimentação da malha.

O host secundário é considerado um dispositivo não permanente na malha HART. Ele deve obedecer a certas regras para dar preferência ao host primário antes de iniciar qualquer comunicação. O host secundário normalmente é um dispositivo handheld ou computador com interface HART utilizado na manutenção dos instrumentos HART.

No protocolo HART, podemos ter até 2 hosts em uma mesma malha ao mesmo tempo: 1 host primário e 1 host secundário, No entanto, a norma especifica que não podemos ter mais de um host do mesmo tipo (2 secundários ou 2 primários, por exemplo).

No caso de módulos de CLP com comunicação HART, em alguns casos a entrada do CLP já integra a alimentação 24 Vcc para a malha, host primário, além de um leitor de corrente, formando um sistema de controle completo para comunicação HART e controle através do sinal 4-20 mA.

Ligação Multidrop

Além da ligação ponto-a-ponto, o HART permite um outro tipo de ligação de instrumentos, conhecido como modo multidrop.

No modo multidrop, podemos ligar múltiplos transmissores em paralelo em uma mesma malha, com uma única fonte de alimentação. Nesse modo, devemos incluir o resistor de carga, e o host HART deve ser ligado em paralelo com os transmissores para permitir a comunicação com todos os instrumentos.

O protocolo HART inclui em suas mensagens um byte de endereço curto utilizado para endereçar o comando inicial enviado pelo host. Quando utilizamos um transmissor na ligação ponto-a-ponto, o endereço do transmissor deve ser colocado em 0.

No modo multidrop, devemos colocar cada transmissor em um endereço diferente de 0, não repetindo o mesmo endereço para dois instrumentos. Isso é feito através do comando HART #6 – Escrever Endereço Curto (Write Polling Address).

Como todos os transmissores estão em paralelo, a sinalização 4-20 mA não faz mais sentido, pois a corrente da malha será a soma da corrente de cada transmissor. Por conta disso, até a revisão HART 5, quando o comando #6 era enviado para mudar o endereço curto de um transmissor para um valor diferente de 0, o transmissor deveria automaticamente fixar a sua corrente no valor mínimo possível – normalmente 4 mA ou um pouco abaixo. Ao manter a corrente de todos os transmissores no valor mínimo, reduzimos a corrente total da malha, diminuindo assim o consumo de energia.

A partir do HART revisão 6, o comando #6 foi modificado para permitir que o transmissor mantenha a sinalização 4-20 mA mesmo com o transmissor em um endereço diferente de 0. Na prática, quando utilizamos o modo multidrop, não mantemos o sinal 4-20 mA, utilizando apenas o protocolo HART para aquisitar informações dos equipamentos da malha.

Além disso, a revisão 6 do protocolo HART aumentou o número de endereços curtos de 16 (0 até 15) para 64 (0 até 63). Na teoria, isso permitiria colocarmos até 63 instrumentos em uma mesma malha multidrop. No entanto, por conta de ruídos e outras considerações elétricas, o protocolo HART recomenda ligarmos no máximo 16 instrumentos em uma mesma malha.

Apesar da ligação multidrop ser padronizada pela norma HART, ela não é utilizada na maioria das malhas de controle HART. Isso ocorre por conta da baixa velocidade de transmissão do protocolo (1200 bits por segundo), o que torna a comunicação com múltiplos instrumentos em uma mesma malha muito lenta.

Além disso, como a ligação multidrop na maior parte dos casos impossibilita a sinalização 4-20 mA, ela faz com que instrumentos utilizados nesse tipo de ligação percam a compatibilidade com sistemas de controle 4-20 mA existentes, o que anula a grande vantagem do protocolo HART em relação a outros protocolos de comunicação industrial.

Como os sinais digitais são interpretados no protocolo HART: a camada de enlace

Para realização da comunicação digital, não basta gerarmos sinais binários (valores 0 e 1): precisamos definir como esses sinais são agrupados, como a transmissão de sinais é controlada, e qual o significado dos sinais. Essa definição faz parte da chamada camada de enlace (Data Link Layer) ou camada 2 do protocolo, que é descrita pelo documento HCF_SPEC-081.

Formato de Bytes

No protocolo HART, as informações trocadas entre um host e um instrumento de campo são agrupadas em sequências de 8 bits – ou seja, bytes – que podem ser interpretados como um número de 0 até 255.

Os bytes são enviados de acordo com o padrão UART, incluindo 1 bit adicional no início do byte (conhecido como start bit), 1 bit adicional de paridade ímpar (parity bit, usado para detectar erros nos bits transmitidos), 1 bit ao final do byte (conhecido como stop bit).

O enquadramento ou formato dos bytes no protocolo HART é ilustrado na figura abaixo:

Como podemos ver, o start bit e o stop bit são utilizados para delimitar cada byte de informações transmitidas, permitindo que o host e os instrumentos de campo saibam diferenciar um byte de outro byte.

Após o start bit, 8 bits de dados são enviados em sequência. No protocolo HART, os bits de dados são enviados na ordem LSB (least significant bit), ou seja, o bit de menor valor (D0 na figura acima) é enviado primeiro.

O bit de paridade é enviado logo após os bits de dados, e logo antes do stop bit. Ele é utilizado para verificar se os bits de dados foram recebidos corretamente. Ele é calculado da seguinte forma: comece com o valor do bit de paridade igual a 1 – se o bit de dados D0 for igual a 1, troque o valor do bit de paridade para 0, caso contrário mantenha o valor do bit de paridade igual ao seu valor atual. Continue checando os bits de dados D1 até D7: sempre que o valor de um bit de dados for igual a 1, troque o valor do bit de paridade de 1 para 0 ou de 0 para 1; se o bit de dados for igual a 0, não altere o valor do bit de paridade. Após seguir esse procedimento para os 8 bits de dados, você terá o valor do bit de paridade.

Caso um dos bits de dados seja recebido de forma incorreta por conta de interferência eletromagnéticas ou ruídos (por exemplo, um bit 0 foi recebido como se fosse um bit 1), o bit de paridade permitirá detectarmos esse erro e ignorarmos as informações recebidas. Esse tipo de verificação de paridade é conhecido como paridade vertical no protocolo HART.

Como a velocidade de transmissão do protocolo HART FSK é de 1200 bits por segundo, e cada byte de dados é transmitido com 3 bits adicionais (start, paridade e stop) totalizando 11 bits, o tempo de transmissão de cada byte de dados é de aproximadamente 9,17 ms.

Formato das Mensagens ou Unidade de Dados do Protocolo (PDU)

Uma vez que entendemos como cada byte de informação é transmitido, precisamos entender como os bytes são agrupados para transmitir informações entre um host e um instrumento de campo.

Como já explicamos anteriormente, o protocolo HART utiliza um padrão de comando e resposta para troca de informações: o host inicia a comunicação enviando um comando para um instrumento HART específico, que recebe o comando, realiza alguma ação ou configuração baseada nesse comando, e envia uma resposta ao host.

Os comandos e as respostas são enviados através de mensagens ou unidades de dados do protocolo (PDUs, do inglês Protocol Data Unit). A estrutura das mensagens do protocolo HART é ilustrada abaixo:

Preâmbulo (Preamble)

Toda mensagem do protocolo HART, seja ela um comando do host ou uma resposta do instrumento HART, é precedida por um preâmbulo. O preâmbulo composto por uma sequência de 5 a 20 bytes todos com o mesmo valor: 255 (ou 0xFF em notação hexadecimal).

O preâmbulo não é considerado parte da mensagem, pois ele não carrega nenhuma informação. A sua função é apenas sincronizar os modems do transmissor e do receptor. Normalmente, um host inicia a comunicação com um instrumento enviando o comando #0 (Ler Identificador Único) com um preâmbulo de 20 bytes para aumentar a chance de sucesso na comunicação.

Na resposta do comando #0, o instrumento HART irá indicar o número mínimo de bytes de preâmbulo que o host deve enviar nos próximos comandos, além do número de bytes de preâmbulo que o instrumento irá inserir em suas respostas. O host pode mudar o número de bytes de preâmbulo na resposta do instrumento através do comando #59 (Escrever Número de Preâmbulos de Resposta).

Delimitador (Delimiter)

O delimitador é enviado logo após o fim do preâmbulo. Ele é composto por um único byte, e é considerado o verdadeiro início da mensagem do protocolo HART. Para se diferenciar dos bytes do preâmbulo, seu valor nunca será igual a 255.

O valor do delimitador indica diversas coisas:

1. O tipo de mensagem (host para instrumento ou instrumento para host).
2. O tipo de meio físico (FSK, CPK) utilizado na transmissão da mensagem.
3. O número de bytes de expansão utilizados na mensagem.
4. O tipo de endereço utilizado para identificar o instrumento de campo (endereço curto ou longo).

A imagem abaixo detalha melhor as informações transmitidas no delimitador e a sua ordem.

Podemos ver que os 3 bits menos significativos são utilizados para identificar o tipo de frame ou mensagem. Os três tipos de mensagens são as seguintes:

1. Mensagem burst (BACK)– identificada pelo valor 1, esse tipo de mensagem foi introduzido na revisão HART 6. Um instrumento pode ser colocado no modo burst para enviar continuamente mensagens sem precisar de um comando do host. A aplicação mais comum do modo burst é para que o instrumento envie continuamente a medição do processo sem que o host precise pedir, acelerando a velocidade de atualização das informações. O modo burst é pouco utilizado na prática, pois usa implantação normalmente implica a substituição da sinalização 4-20 mA pelo protocolo HART no controle do processo, o que não é comum.
2. Mensagem do host para o instrumento (STX) – identificada pelo valor 2, esse tipo de mensagem é o que comumente chamamos de um “comando” ou request. Toda mensagem desse tipo (STX) deve ser respondida com uma mensagem do instrumento (ACK).
3. Mensagem do instrumentopara o host (ACK) – identificada pelo valor 6, esse tipo de mensagem é enviado em resposta a uma mensagem do host (ACK). Por isso, é conhecida como “resposta” ou reply.

Os dois bits seguintes ao bit do tipo de mensagem são os bits do meio físico. Para o meio físico FSK (o mais comum e o que abordamos nesse artigo), o valor desses bits é 0 (assíncrono).

Após os bits do meio físico, temos mais dois bits que indicam o número dos bytes de expansão da mensagem (0 a 3). Os bytes de expansão são uma outra parte da mensagem, e sua utilização ainda é restrita pelo FieldComm Group. Por conta disso, o valor desses bits na imensa maioria dos casos é 0.

Por fim, temos um último bit que indica o tipo de endereço utilizado na mensagem: 0 para endereço curto, e 1 para endereço longo. O campo de endereço é explicado em mais detalhes na próxima seção.

Considerando as informações acima, o delimitador irá possuir apenas alguns valores possíveis quando considerarmos o meio físico FSK:

Endereço (Address)

O protocolo HART especifica dois tipos de endereços utilizados para identificar instrumentos de campo:

1. Endereço curto (polling address): o endereço curto é composto por um único byte. O bit mais significativo sinaliza o tipo de host/mestre (1 = primário, 0 = secundário) e o bit seguinte se o modo burst está ativado ou desativado (no caso das mensagens enviados pelo host, esse bit deve ser sempre 0). Os 6 bits seguintes representam o endereço curto do instrumento de campo, de 0 até 63.

2. Endereço longo (long address ou unique address): o endereço longo ou endereço único é composto por 5 bytes. Os dois primeiros bits mais significativos sinalizam o tipo de host/mestre e se o modo burst está ativado ou desativado, da mesma forma que o endereço curto. Os 38 bits restantes formam um endereço único do instrumento.

Normalmente, na primeira comunicação entre um host e um instrumento de campo, o host irá utilizar o endereço curto para se comunicar com o instrumento. Como existem no máximo 64 endereços curtos diferentes (0 até 63), o host pode fazer uma busca por cada endereço utilizando o comando #0 (comando de identificação) para tentar encontrar os instrumentos conectados naquela malha.

Na resposta ao comando #0, o instrumento irá identificar o seu endereço único. A partir daí, o host pode utilizar o endereço longo para enviar as mensagens seguintes ao instrumento.

Bytes de Expansão (Expansion Bytes)

Os bytes de expansão são até 3 bytes opcionais utilizados para transmitir informação adicional. Até o presente momento, não há uma padronização do seu significado, e seu uso é restrito pelo FieldComm Group. Por conta disso, na imensa maioria dos casos eles não são utilizados nas mensagens HART.

Número do Comando (Command)

O byte de número de comando, ou simplesmente comando, é utilizado para identificar o comando HART que está sendo enviado pelo host, ou o comando que está sendo respondido pelo instrumento.

Os valores possíveis para esse byte vão de 0 até 253 (os valores 254 e 255 são reservados pela norma). Em especial, o valor 31 (0x1F) é utilizado para indicar um comando expandido.

Os comandos expandidos possuem 2 bytes para representar o seu número, permitindo assim um número maior de comandos. No caso dos comandos expandidos, o número real do comando é especificado nos dois primeiros bytes do campo de dados.

Número de Bytes (Byte Count)

O campo de número de bytes indica o tamanho do campo de dados transmitido na mensagem. Esse valor é composto por um único byte, o que permite, portanto, o envio de 0 até 255 bytes de dados em uma única mensagem.

Dados (Data)

O campo de dados possui de 0 até 255 bytes, e contém as informações que efetivamente são de interesse na comunicação entre um host e um instrumento HART. O campo de dados, assim como o campo de comando já detalhado nas seções anteriores, faz parte da camada de aplicação ou camada 7 do protocolo HART.

Nem todo comando possui um campo de dados. Por exemplo, o comando #0, utilizado pelo host para identificar um instrumento, é enviado com o campo de dados vazio, pois o host não transfere nenhuma informação para o instrumento de campo através desse comando.

No entanto, toda resposta do instrumento para o host inclui no mínimo 2 bytes de dados, que fazem parte do que chamamos de status do comando (command status).

O status de comando é enviado no início do campo de dados pelo instrumento. Seu primeiro byte indica informações sobre o status da comunicação com o host, enquanto o seu segundo byte indica informações sobre o estado do instrumento de campo.

O primeiro byte do status de comando pode representar um código de resposta (response code) do instrumento para o host, indicando se houve algum erro na execução do comando e informações adicionais sobre o comando recebido. Os códigos de resposta possuem valores padronizados para cada comando, mas o bit mais significativo do código de resposta sempre é 0.

Caso o instrumento tenha detectado algum erro na comunicação (não um erro na execução do comando, mas sim na mensagem enviada pelo host), esse primeiro byte será transformado em um status de comunicação, indicado pelo bit mais significativo possuir o valor 1 ao invés do valor 0 que é utilizado para códigos de resposta. Cada bit do status de comunicação indica uma falha diferente que pode ser detectada pelo instrumento, conforme a figura abaixo:

O segundo byte do status do comando sempre possui o mesmo significado, e é chamado de status do instrumento (field device status), pois dá mais informações sobre a condição de operação do instrumento de campo. Cada bit do status do instrumento indica uma condição diferente, conforme a imagem abaixo:

Após os bytes de status do comando, os dados do comando são enviados. Os dados do comando podem tomar vários formatos, podendo indicar números inteiros ou números de ponto flutuante, letras, horários, valores de uma tabela, entre outros. Os formatos padrão para os dados do comando são especificados no documento HCF_SPEC-099 (Command Summary Specification) na seção Data Types.

Byte de Checagem (Check Byte ou Checksum)

O byte de checagem ou checksum é sempre o último byte de uma mensagem. A sua função é fornecer uma etapa adicional de detecção de erros nos dados enviados na mensagem, além da checagem já realizada pelo bit de paridade.

O byte de checagem é calculado através da aplicação da operação de “ou exclusivo” (XOR ou exclusive or, em inglês) em todos os bytes da mensagem, desde o delimitador até o último byte de dados. Para entendermos o efeito prático dessa operação, vejamos como o valor do primeiro bit do checksum é calculado.

Primeiramente, pegamos o primeiro bit do delimitador e o comparamos com o primeiro bit do byte seguinte (no caso, do endereço). Se os bits forem iguais, obtemos o valor 0, e se eles forem diferentes, obtemos o valor 1. Em seguida, comparamos o valor obtido (0 ou 1), com o primeiro bit do byte seguinte, repetindo a mesma lógica (se os bits forem iguais, obtemos o bit 0, caso contrário, obtemos o bit 1). Continuamos com esse mesmo procedimento até chegarmos ao último byte da mensagem antes do checksum. O valor final do bit calculado é definido como o valor do primeiro bit do checksum.

Para calcularmos o valor dos outros bits do checksum, repetimos o mesmo procedimento, mas ao invés de pegarmos o primeiro bit de cada byte da mensagem, comparamos o bit correspondente ao bit que queremos calcular.

Se imaginarmos todos os bytes da mensagem dispostos em sequência da esquerda para direita, com os seus 8 bits de dados empilhados de cima (começando pelo bit 0) para baixo, encerrando com o bit de paridade, podemos ver por que o bit de paridade é referido como a paridade vertical e o byte de checagem como a paridade longitudinal:

Como podemos ver, o bit de paridade combina os bits de cada byte para obter uma detecção de erro dentro de cada byte. Por outro lado, o byte de checagem combina os bits de uma mesma posição de cada byte para obter uma detecção de erros entre bytes.

A combinação desses dois métodos permite que o protocolo HART obtenha uma boa performance na detecção de erros causados por ruídos na malha ou interferência eletromagnética causada por fontes externas.

Os comandos HART: a camada de aplicação

Na seção anterior falamos um pouco sobre como o campo de número de comando e o campo de dados das mensagens formam a camada de aplicação ou camada 7 do protocolo HART. Essa camada pode ser considerada a mais importante de qualquer protocolo, pois é ela que envolve aquilo que realmente queremos fazer através do protocolo de comunicação.

Por exemplo, no protocolo HART, é através dos comandos e dos dados associados a eles que podemos ler e modificar as configurações dos instrumentos de campo, assim como obter informações dos instrumentos, como valores das medições, status de operação, diagnóstico de falhas, entre outros. Todas as outras camadas do protocolo apenas tornam possível que a camada de aplicação seja implementada de forma robusta (com o mínimo de erros possíveis) e eficiente.

Os comandos HART podem ser agrupados em diferentes tipos, conforme ilustrado na figura abaixo:

• Comandos Universais: todos os instrumentos de campo que implementam o protocolo HART devem reconhecer e suportar os comandos universais. Esses comandos são definidos no documento HCF_SPEC-127 (Universal Command Specification). Alguns exemplos de comandos universais são:
  • Comando #0 – Ler Identificador Único: comando que deve ser enviado inicialmente pelo host para obter o identificador único do instrumento, e assim poder determinar o endereço longo do instrumento. Nesse comando, o instrumento também reporta outras informações ao host, como fabricante, revisão HART implementada pelo instrumento e revisão de firmware.
  • Comando #1 – Ler Variável Primária (PV): Lê o valor atual da variável primária medida ou controlada pelo instrumento, assim como a unidade atual dessa variável.
  • Comando #6 – Escrever Endereço Curto: Modifica endereço curto (polling address) do instrumento de campo.
  • Comando #13 – Ler Tag, Descrição e Data: Lê a tag eletrônica, descrição e data gravadas no instrumento.
  • Comando #15 – Ler Informações do Instrumento: Lê a faixa de operação, valor do filtro, função de transferência e configuração de alarme do instrumento.
  • Comando #18 – Escrever Tag, Descrição e Data: Modifica a tag eletrônica, descrição e data gravadas no instrumento.
  • Comando #48 – Ler Status Adicionais do Instrumento: Lê os status adicionais com informações operacionais do instrumento.
• Comandos de Prática Comum: esse grupo de comandos representam funções que são muito comuns em diversos instrumentos de campo, mas não são necessariamente implementados por todos os tipos de instrumentos. Esses comandos são especificados no documento HCF_SPEC-151 (Common Practice Command Specification). Alguns comandos desse tipo incluem:
  • Comando #35 – Escrever Faixa da Variável Primária: Comando que altera a faixa de operação da variável primária do instrumento.
  • Comando #36 – Definir Valor Superior da Faixa: Comando que define a valor superior da faixa de operação como igual ao valor medido pelo instrumento no momento que o comando é enviado. Corresponde a função ou botão SPAN presente em muitos instrumentos.
  • Comando #37 – Definir Valor Inferior da Faixa: Comando que define a valor inferior da faixa de operação como igual ao valor medido pelo instrumento no momento que o comando é enviado. Corresponde a função ou botão ZERO presente em muitos instrumentos.
  • Comando #43 – Definir Zero da Medição: Corrige a medição do instrumento, zerando o valor medido quando o comando é enviado. Conhecido também como ajuste de zero ou trim de zero.
  • Comando #44 – Modificar Unidade da Variável Primária: Altera a unidade da variável primária do instrumento.
  • Comando #45 – Ajustar Zero da Corrente: Comando utilizado para corrigir o valor inferior da saída de corrente, normalmente 4,0 mA.
  • Comando #46 – Ajustar Ganho da Corrente: comando utilizado para corrigir o valor superior da saída de corrente, normalmente 20,0 mA.
• Comandos de Família: esse grupo de comandos representam funções que são muito comuns em um certo tipo de instrumento de campo, como transmissores de temperatura ou transmissores de vazão. Esses comandos são especificados no documento HCF_SPEC-160 (Device Families Command Specification). As famílias padronizadas pela norma são Instrumentos de Temperatura, Instrumentos de Controle PID e Instrumentos de Nível. Alguns comandos desse grupo incluem:
  • Instrumentos de Temperatura – Comando #1025 – Ler Configuração de Temperatura: Comando que lê o tipo de sensor de temperatura, número de fios, padrão de temperatura e conexão do sensor de temperatura.
  • Instrumentos de Controle PID – Comando #1796 – Ler Constantes de Sintonização do PID: Lê os valores das constantes proporcional, integral e derivativa do controle PID.
  • Instrumentos de Nível – Comando #2822 – Ler Configuração do Sensor: Lê os valores de offset, compensação e outros do instrumento de medição de nível
• Comandos Específicos: esse grupo de comandos representam funções que são criadas pelo fabricante do instrumento de campo, e correspondem a funções que aquele modelo específico de instrumento possui. Esses comandos não são especificados pela norma do protocolo HART, mas sim em documentos do próprio fabricante. Alguns exemplos de comandos desse grupo incluem:
  • Alterar funções da tela/display: Alguns instrumentos de campo possuem telas ou displays LCD. Para configurar as indicações do display, os fabricantes do instrumento normalmente criam comandos para alterar a variável mostrada na tela, o brilho da tela, entre outras opções.
  • Comandos de calibração especializados: Muitos instrumentos possuem um procedimento de calibração específico que é implementado pelo fabricante através de comandos HART.
  • Alterar configurações de totalização: A função de totalização realizada por alguns instrumentos não é padronizada pela norma, e por isso é normalmente implementada através de comandos específicos.
• Comandos WirelessHART: esses comandos são definidos no HCF_SPEC-155 (Wireless Command Specification), e são exclusivos para instrumentos que implementam o protocolo WirelessHART. Alguns exemplos desses comandos são:
  • Comando #773 – Escrever ID de Rede: Configura o instrumento WirelessHART para reconhecer o ID de rede correto.
  • Comando #778 – Ler Nível da Bateria: Lê o nível da bateria do instrumento WirelessHART.
• Comandos de Fábrica/Comandos Não-Públicos: essa categoria inclui comandos criados pelos fabricantes dos instrumentos de campo, mas que não são divulgados para o público. Normalmente, são comandos utilizados na produção dos instrumentos, seja para realizar configurações de fábrica ou testes dos equipamentos. Alguns exemplos são:
  • Escrever número de série do instrumento: Na produção dos instrumentos, é necessário gravar o número de série do equipamento. Isso pode ser feito através de um comando HART de fábrica.
  • Alterar informações do transdutor (limites, resolução): As informações do transdutor são consideradas imutáveis pelos usuários do equipamento, porém o fabricante precisa gravar essas informações na memória do equipamento durante a produção.
  • Calibração de fábrica do sensor: Calibrações de fábrica podem ser realizadas através de comandos HART, permitindo mais agilidade na produção.

Tipos de dispositivos compatíveis com o protocolo HART

O protocolo HART é utilizado em uma ampla gama de instrumentos de campo, incluindo:

• Transmissores de pressão e temperatura
• Transmissores de nível e vazão
• Posicionadores de válvula inteligentes
• Conversores de sinal e módulos I/O inteligentes

Benefícios do uso do protocolo HART

A utilização do protocolo HART em aplicações industriais oferece diversos benefícios, como:

• Configuração remota de instrumentos (faixa, filtro/damping, TAG)
• Leitura de variáveis secundárias (ex: temperatura ambiente, status de alarme)
• Diagnóstico de falhas em tempo real
• Ajuste remoto via software
• Manutenção preditiva baseada em dados coletados remotamente, reduzindo o tempo em paradas não programadas de manutenção e correção

Ferramentas para comunicação através do protocolo HART

A comunicação com dispositivos que possuem o protocolo HART exige o uso de ferramentas e softwares compatíveis que possibilitem acesso à estrutura digital do instrumento.

A comunicação com dispositivos HART pode ser feita de diferentes formas:

Interface ou modem HART com tablet, computador ou notebook: permite a comunicação entre um computador e o instrumento através de um software de configuração HART.

Softwares como PACTware, DevCom2000, Sharp D ou Sharp S10: Softwares de configuração HART que utilizam arquivos DD (Device Description), DTMs (Device Type Manager) ou implementam um host HART com comandos universais e de prática comum para possibilitar a configuração de instrumentos que possuem protocolo HART.

Configurador portátil: dispositivos específicos com interface de comunicação dedicada, botões ou tela touchscreen.

Multiplexadores HART: permitem conexão de vários instrumentos em redes de supervisão.

Em todos os casos, o uso de um resistor de carga (normalmente 250 Ω) no loop de corrente é essencial para garantir a leitura correta do sinal digital.

As diferenças entre protocolos totalmente digitais e o protocolo HART

Embora o HART seja uma solução digital, ele é considerado um protocolo híbrido, pois opera em conjunto com a transmissão analógica. Em comparação com outros protocolos puramente digitais como Profibus PA, Modbus RTU e FOUNDATION Fieldbus (FF), o HART possui as seguintes características:

Leia também:

Protocolos de comunicação: HART, PROFIBUS PA e FOUNDATION FIELDBUS, quais as diferenças entre eles?

Vantagens das interfaces de comunicação multiprotocolo (HART, PROFIBUS PA e FF)

Quando utilizar o protocolo HART

O protocolo HART é ideal para aplicações que:

• Exigem alta confiabilidade com infraestrutura simples
• Necessitam de acesso a dados adicionais de processo
• Operam em plantas legadas que já utilizam 4-20 mA e querem manter a compatibilidade
• Precisam de diagnóstico remoto e manutenção preventiva
• Realizam configurações frequentes em instrumentos de campo

Exemplos práticos de aplicação com protocolo HART

O uso do protocolo HART facilita a rotina técnica em campo. Veja alguns exemplos:

Calibração remota de um transmissor

Com o software DevCom2000 e um modem HART USB, é possível ajustar o range de um transmissor SPT111i sem removê-lo da linha.

Diagnóstico antecipado de falha

Um transmissor RP2001 instalado em uma linha crítica apresenta status de alerta por temperatura fora do limite — identificado remotamente por um sistema SCADA.

Verificação de TAGs e parâmetros durante comissionamento

Técnicos usam um handheld communicator para confirmar se todos os transmissores em um novo skid estão com as TAGs eletrônicas corretas e calibradas.

Esses casos demonstram como o HART aumenta a eficiência e reduz o tempo de intervenção.

Interoperabilidade entre fabricantes

O protocolo HART é padronizado e aberto, o que garante compatibilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes.

Desde que os instrumentos sigam a especificação oficial da FieldComm Group e possuam arquivos DD atualizados, é possível integrar um transmissor de uma marca com um configurador de outra, promovendo flexibilidade e interoperabilidade.

Boas práticas para instalação e comunicação HART

Para garantir a confiabilidade da comunicação HART em campo, observe as seguintes boas práticas:

• Utilize cabos de par trançado blindado, especialmente em ambientes com interferência eletromagnética.
• Instale um resistor de carga de 250 Ω corretamente no loop caso necessário para habilitar a comunicação digital, ou utilize um configurador que possua resistor integrado.
• Evite conexões frouxas, oxidadas ou em bornes mal fixados.
• Faça o aterramento apropriado dos dispositivos, sem loops de terra.
• Separe fisicamente os cabos de sinal dos de potência e comando para reduzir ruído.

Transmissores Sensycal com protocolo HART

A Sensycal possui diversos transmissores e instrumentos de campo com comunicação HART integrada, entre eles: Transmissor RP1000, Transmissor RP2000 e Transmissor SPT111i e Transmissor de Temperatura MST885i.

Esses equipamentos oferecem medições de alta exatidão com comunicação digital confiável, sendo compatíveis com as principais ferramentas HART do mercado.

HART: um elo entre o sinal 4-20 mA e a automação digital

O protocolo HART representa um ponto de transição entre o mundo analógico e o digital. Ele permite que a indústria aproveite a infraestrutura tradicional do sinal 4-20 mA e, ao mesmo tempo, incorpore funções inteligentes que antes exigiam protocolos dedicados.

Para profissionais que estão ingressando na área de instrumentação e automação, entender o que é e para que serve o protocolo HART é essencial para compreender como utilizar corretamente instrumentos modernos, como configurá-los e como integrá-los a sistemas de controle e supervisão.