Na era digital em que vivemos, a comunicação eficaz entre instrumentos e sistemas é crucial para a operação e eficiência de ambientes industriais.
Neste contexto, os protocolos de comunicação como HART, PROFIBUS PA e FOUNDATION Fieldbus desempenham um papel fundamental, cada um com suas características, vantagens e aplicações específicas.
Mas você sabe quais são as diferenças entre eles e como escolher o protocolo de comunicação adequado para suas necessidades?
Acompanhe este guia para descobrir mais sobre cada um desses protocolos e tomar decisões informadas para otimizar a comunicação em seus projetos.
O que é um protocolo de comunicação?
No mundo da automação e controle industrial, um protocolo de comunicação é essencialmente um conjunto de regras e normas que determinam como os dados são transmitidos e recebidos entre dispositivos em uma rede.
Esses protocolos garantem que as informações sejam compartilhadas de forma padronizada, permitindo que diferentes dispositivos e sistemas “falem” uns com os outros sem mal-entendidos.
Imagine tentar ter uma conversa em que cada pessoa fala um idioma diferente; sem um “protocolo” comum, a comunicação seria impossível.
Da mesma forma, os protocolos de comunicação em ambientes industriais padronizam a troca de informações, assegurando a interoperabilidade e a integração de sistemas diversos.
Eles são a coluna vertebral de qualquer sistema automatizado, permitindo o controle efetivo de processos, a monitorização de sistemas e a otimização da produção.
O que é HART?
O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) é amplamente utilizado no campo da automação industrial, particularmente em aplicações de monitoramento e controle de processos.
Este protocolo é único porque permite a comunicação de dados digitais sobre pares de fios já existentes de sinais analógicos 4-20 mA, proporcionando uma solução híbrida que combina a confiabilidade do sinal analógico com a versatilidade da comunicação digital.
Características e aplicações do HART
Veremos as características de um dos protocolos de comunicação.
Combinação de sinais analógicos e digitais
O sinal de 4-20 mA transmite a variável de processo principal (como pressão, temperatura, nível, etc.).
Simultaneamente, um sinal digital modulado em frequência (FSK – Frequency Shift Keying) sobrepõe-se ao sinal analógico no mesmo par de fios, permitindo a comunicação bidirecional de dados adicionais a uma velocidade de 1200 bps (bits por segundo).
Comunicação bidirecional
Permite que dados sejam enviados do dispositivo de campo para o sistema de controle e vice-versa, incluindo medições do processo, diagnósticos, configurações e calibrações do dispositivo.
Compatibilidade com infraestrutura existente
Instrumentos HART podem ser instalados em sistemas de 4-20 mA já existentes, sem necessidade de novas fiações, tornando-se uma solução econômica para modernização de plantas industriais.
Padronização
O protocolo HART é definido por uma norma aberta mantida pelo FieldComm Group, garantindo a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes.
Suporte ao modo multidrop
Em uma configuração multidrop, vários dispositivos HART podem ser conectados em paralelo no mesmo par de fios, cada um com um endereço exclusivo.
Nesse caso, geralmente perde-se a possibilidade de utilizar o sinal 4-20 mA do instrumento.
Diagnóstico e configuração remota
Permite a configuração e calibração remota de dispositivos de campo, bem como diagnósticos detalhados para manutenção preditiva.
Compatibilidade com ambientes explosivos
Projetado para ser utilizado em áreas classificadas, onde há risco de explosão.
Suporta comunicação intrinsecamente segura (Ex-i), garantindo que a energia transmitida aos dispositivos de campo seja suficientemente baixa para não causar ignição.
Aplicações do protocolo HART
- Transmissores de pressão e temperatura: utilizados para medir e transmitir variáveis de processo críticas.
- Válvulas de controle: permite a configuração e o monitoramento do desempenho da válvula.
- Transmissores de nível e vazão: fornecem medições precisas e informações diagnósticas sobre as condições do processo.
- Sistemas de controle distribuído (DCS) e PLCs: integração de dados de dispositivos de campo para controle e automação de processos industriais.
Vantagens do protocolo HART
- Integração facilitada: pode ser implementado em sistemas de 4-20 mA existentes, facilitando a atualização para comunicação digital.
- Informações detalhadas: fornece acesso a uma ampla gama de dados do dispositivo, além da variável de processo principal.
- Facilidade de Uso: amplamente suportado por muitos fabricantes de dispositivos de campo e sistemas de controle.
- Grande base instalada: o protocolo HART é um dos mais utilizados na indústria, com milhões de equipamentos instalados.
Desvantagens do protocolo HART
- Taxa de dados: comparado a outros protocolos de campo, como o FOUNDATION Fieldbus (FF) e PROFIBUS PA, a taxa de transmissão de dados do HART é relativamente baixa.
O que é PROFIBUS PA?
PROFIBUS PA (PROcess FIeld BUS – Process Automation) é essencial no mundo da automação industrial.
Ele é uma versão do protocolo PROFIBUS projetado especificamente para aplicações de automação de processos, com o objetivo de facilitar a troca de dados entre controladores e instrumentos de campo (field devices).
Ao contrário do HART, o protocolo PROFIBUS PA é inteiramente digital e não possui compatibilidade com o padrão 4-20 mA.
Por outro lado, oferece uma comunicação mais rápida e permite a ligação de múltiplos instrumentos em rede.
Características do protocolo PROFIBUS PA
Comunicação digital
Utiliza comunicação digital para transmitir dados entre dispositivos de campo (como sensores e atuadores) e sistemas de controle a uma taxa de 31,25 kbit/s (kilobits por segundo).
Proporciona comunicação bidirecional, permitindo tanto a leitura de dados do processo quanto a configuração e diagnóstico de dispositivos.
Comunicação em rede
Permite a ligação de até 32 instrumentos em um segmento de rede.
Suporta diversas topologias de ligação, como bus (barramento), star (estrela) e tree (árvore).
Compatibilidade com ambientes explosivos
Projetado para ser utilizado em áreas classificadas, onde há risco de explosão.
Suporta comunicação intrinsecamente segura (Ex i), garantindo que a energia transmitida aos dispositivos de campo seja suficientemente baixa para não causar ignição.
Alimentação e comunicação pelo mesmo cabo
Usa a tecnologia de par trançado, onde um único par de fios é utilizado tanto para a alimentação dos dispositivos quanto para a comunicação de dados, simplificando a instalação e reduzindo custos.
Integração com protocolo PROFIBUS DP
Pode ser integrado com sistemas PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals) através de acopladores ou links.
Isso permite a comunicação entre dispositivos de automação de processos e sistemas de automação discretos.
Distância estendida
Pode cobrir longas distâncias (até 1.900 metros) sem a necessidade de repetidores.
Diagnóstico e manutenção remota
Suporta diagnósticos avançados e funções de manutenção remota, permitindo a detecção precoce de falhas e a execução de ações de manutenção preventiva.
Aplicações do protocolo PROFIBUS PA
- Monitoramento e controle de processos em rede: utilizado para medir e controlar variáveis de processo como pressão, temperatura, nível e vazão em rede.
- Processos em batelada e contínuos: eficaz para processos do tipo batelada e/ou contínuo, proporcionando transmissão e controle de dados confiáveis.
Vantagens do protocolo PROFIBUS PA
- Redução de custos: a utilização de um único cabo para alimentação e comunicação em rede reduz significativamente os custos de instalação e manutenção.
- Diagnóstico e manutenção: funções avançadas de diagnóstico e manutenção remota melhoram a confiabilidade e reduzem o tempo de inatividade.
Desvantagens do protocolo PROFIBUS PA
- Complexidade: a configuração e a integração inicial podem ser mais complexas, especialmente em sistemas grandes.
- Curva de aprendizado: requer treinamento e experiência para utilizar plenamente os recursos do protocolo, o que pode ser uma barreira para algumas empresas.
- Custo: maior investimento inicial em comparação com sistemas analógicos ou sistemas HART, devido à necessidade de dispositivos e infraestrutura compatíveis com PROFIBUS.
- Adoção limitada em algumas regiões: embora amplamente adotado na Europa e na Ásia, a sua adoção pode ser menos difundida em outras regiões em comparação com protocolos como HART ou FOUNDATION Fieldbus H1.
- Latência: embora determinístico e com taxa de comunicação maior que o protocolo HART, o PROFIBUS PA pode introduzir alguma latência na leitura da variável do processo, o que pode ser uma preocupação em aplicações altamente sensíveis ao tempo.
Nesses casos, a utilização de instrumentos com sinalização analógica de alta velocidade é mais indicada.
O que é FOUNDATION Fieldbus?
O FOUNDATION Fieldbus é um protocolo de comunicação digital usado em automação de processos para conectar dispositivos de campo como sensores, atuadores e controladores.
Ele é dividido nas versões HSE (High-Speed Ethernet) e H1.
A versão HSE foi projetada para integração de controle de processos e sistemas de automação, operando em velocidades de Ethernet altas (100 Mbit/s e superiores).
Por conta disso, o FOUNDATION Fieldbus HSE é utilizado principalmente para comunicação entre sistemas de controle, servidores e dispositivos de alto desempenho, mas não é aplicado em instrumentos de campo.
Por outro lado, o protocolo FOUNDATION Fieldbus H1 foi projetado para ser um protocolo de comunicação robusto para dispositivos de campo em aplicações de automação de processos em tempo real.
Facilitando estratégias avançadas de controle e interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes.
Assim como o protocolo de comunicação PROFIBUS PA, o FOUNDATION Fieldbus H1 é um protocolo de comunicação totalmente digital.
Na realidade, ambos os protocolos usam a mesma camada física definida pela norma ANSI/ISA-50.02, Parte 2-1992, que é igual à IEC 61158-2.
Isso significa que o meio físico (par trançado), sinalização elétrica e outras características da camada física são idênticos para ambos protocolos de comunicação.
Aqui estão os principais recursos, vantagens e desvantagens do protocolo FOUNDATION Fieldbus H1:
Características do protocolo FOUNDATION Fieldbus H1
Comunicação digital
Fornece comunicação bidirecional totalmente digital entre dispositivos de campo e sistemas de controle.
Permite a transmissão de dados de processo e informações de controle em uma única rede.
Sistema de dois fios
Utiliza um sistema de dois fios para alimentação e comunicação, simplificando a instalação e reduzindo custos de cabeamento.
Está em conformidade com o padrão de camada física IEC 61158-2.
Controle distribuído
Suporta a execução de funções de controle diretamente nos dispositivos de campo, reduzindo a necessidade de sistemas de controle centralizados.
Permite estratégias de controle avançadas e aumenta a confiabilidade do sistema.
Comunicação determinística e em tempo real
Garante comunicação oportuna e previsível, o que é fundamental para aplicações de controle de processos.
Usa um mecanismo de agendamento determinístico para gerenciar a comunicação entre dispositivos.
Blocos funcionais (Function Blocks)
Emprega um modelo de bloco de função padronizado para definir a funcionalidade do dispositivo, melhorando a interoperabilidade e simplificando a integração.
Cada bloco de função executa uma tarefa específica, como processamento de entrada/saída, controle ou computação.
Diagnóstico e manutenção
Fornece diagnósticos detalhados e informações de status do dispositivo, permitindo manutenção proativa e reduzindo o tempo de inatividade.
Suporta configuração remota e calibração de dispositivos.
Escalabilidade e flexibilidade
Suporta uma variedade de topologias de rede, incluindo configurações de barramento, árvore e híbridas.
Facilmente escalável, permitindo a adição de novos dispositivos sem reconfiguração significativa.
Aplicações do protocolo FOUNDATION Fieldbus H1
- Controle avançado de processo: usado em indústrias que exigem estratégias de controle avançadas, como refino, produtos químicos e farmacêuticos.
- Controle descentralizado: ideal para aplicações que se beneficiam de funções de controle distribuídas entre dispositivos de campo.
- Sistemas de automação complexos: adequados para projetos de automação em larga escala onde a interoperabilidade e os diagnósticos avançados são críticos.
Vantagens do protocolo FOUNDATION Fieldbus H1
Custos reduzidos de cabeamento e instalação
- Utiliza um único par de fios para alimentação e comunicação, reduzindo a quantidade de cabeamento necessária e simplificando a instalação.
Capacidades de controle aprimoradas
- Permite controle distribuído, melhorando a confiabilidade do sistema e reduzindo a carga em sistemas de controle centralizados.
- Suporta estratégias de controle complexas e otimização avançada de processos
Manutenção e diagnóstico aprimorados
- Fornece acesso em tempo real a diagnósticos detalhados e informações de status do dispositivo, facilitando a manutenção proativa e reduzindo o tempo de inatividade.
- Permite configuração e calibração remotas, reduzindo a necessidade de visitas em campo.
Comunicação de longa distância
- Capaz de cobrir longas distâncias sem a necessidade de repetidores, tornando-o adequado para plantas de processo de grande escala.
Desvantagens do protocolo FOUNDATION Fieldbus H1
Configuração e comissionamento complexos
- Assim como o protocolo de comunicação PROFIBUS PA, a instalação e configuração iniciais podem ser complexas e exigir conhecimentos e ferramentas especializadas.
- Requer planejamento completo e pessoal qualificado para comissionamento.
Maior investimento inicial
- Normalmente envolve um investimento inicial maior em comparação com sistemas analógicos mais simples, devido à necessidade de dispositivos e infraestrutura compatíveis com FOUNDATION Fieldbus.
Curva de aprendizado
- Requer treinamento e experiência para utilizar plenamente os recursos do protocolo de comunicação, o que pode ser uma barreira para algumas organizações.
Latência
- Embora determinístico e com taxa de comunicação maior que o protocolo HART, o protocolo FOUNDATION Fieldbus H1 pode introduzir alguma latência na leitura da variável do processo, o que pode ser uma preocupação em aplicações altamente sensíveis ao tempo.
- Nesses casos, a utilização de instrumentos com sinalização analógica de alta velocidade é mais indicada.
Diferenças entre os protocolos de comunicação HART, PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus
Ao escolher um dos protocolos de comunicação ideal para aplicações industriais, é essencial entender as principais diferenças entre HART, PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus H1.
Vamos simplificar essas diferenças entre os protocolos de comunicação em pontos chave:
Tecnologia de comunicação
- HART: protocolo de comunicação híbrido, combina sinais analógicos 4-20 mA com comunicação digital.
- PROFIBUS PA: digital, com maior velocidade de comunicação do que o protocolo HART.
- FOUNDATION Fieldbus H1: digital, com mesma velocidade do PROFIBUS PA, promove controle distribuído e eficiência operacional.
Topologia de rede
- HART: suporta configurações ponto a ponto ou multidrop.
- PROFIBUS PA: permite topologias flexíveis, como em linha, estrela ou anel.
- FOUNDATION Fieldbus H1: facilita diversas configurações de rede, ideal para controle descentralizado.
Aplicações
- HART: ideal para atualizações em sistemas existentes que mantêm infraestrutura analógica.
- PROFIBUS PA: preferido para ambientes que necessitam de comunicação de alta velocidade em rede, sem necessidade de controle distribuído.
- FOUNDATION Fieldbus H1: melhor para sistemas que se beneficiam de controle distribuído.
Desempenho e funcionalidades
- HART: destaca-se pela simplicidade, custo reduzido e compatibilidade com sistemas analógicos 4-20 mA.
- PROFIBUS PA: oferece velocidade maior que o HART, comunicação em rede e funcionalidades avançadas de diagnóstico.
- FOUNDATION Fieldbus H1: similar ao PROFIBUS PA, porém com capacidades adicionais de controle distribuído.
A escolha entre esses três protocolos de comunicação deve ser baseada em uma análise detalhada das necessidades específicas do sistema, considerando aspectos como a infraestrutura existente, os requisitos de comunicação e os objetivos de automação do projeto.
Critérios para escolha de um protocolo de comunicação
A escolha do protocolo de comunicação certo para um projeto de automação industrial é crucial para garantir eficiência, confiabilidade e escalabilidade.
Aqui estão os critérios chave a serem considerados para tomar essa decisão informada:
Compatibilidade com a infraestrutura existente
Avalie se o protocolo de comunicação escolhido é compatível com os sistemas e dispositivos já em uso.
A necessidade de atualizações ou substituições pode afetar significativamente o custo e a complexidade do projeto.
Profissionais qualificados
Os protocolos de comunicação PROFIBUS PA e FOUNDATION Fieldbus requerem profissionais capacitados e ferramentas adequadas para realizar o comissionamento e manutenção das redes de controle.
Além disso, para fazer uso das funcionalidades avançadas dos protocolos de comunicação, principalmente no caso do FOUNDATION Fieldbus H1, é necessário alto conhecimento técnico sobre o protocolo e sobre sistemas de controle distribuído.
Requisitos de comunicação do sistema
Considere as necessidades específicas de comunicação, incluindo a velocidade de transmissão, a distância entre dispositivos e a quantidade de dados a serem trocados.
Flexibilidade e escalabilidade
O protocolo de comunicação deve ser flexível o suficiente para se adaptar a mudanças nas necessidades e na escala do sistema, permitindo a adição de novos dispositivos sem grandes complicações.
Desempenho e confiabilidade
Avalie a capacidade dos protocolos de comunicação de oferecerem comunicações rápidas e confiáveis, especialmente em ambientes industriais que exigem alta precisão e tempo de resposta.
Custo
Considere o custo total de implementação do protocolo de comunicação, incluindo hardware, software e manutenção.
Um protocolo de comunicação que inicialmente parece ser econômico pode se tornar mais caro a longo prazo, devido a custos ocultos
Considerando esses critérios, a escolha entre os protocolos de comunicação HART, PROFIBUS PA e FOUNDATION Fieldbus H1 ou qualquer outro protocolo deve ser alinhada com os objetivos específicos do projeto, buscando equilibrar eficácia, custo e futuro crescimento.
A decisão correta assegura uma base sólida para a automação e o controle eficientes de processos industriais.
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