WirelessHart, do que se trata? 

Como parte dos estudos da Pós- Graduação em Engenharia de Redes Industriais da Unyelya, o aluno Danilo Danilo Carrasco Abrão escreveu um artigo sobre o protocolo HART, especificamente sobre WirelessHART. A seguir acompanhe o artigo.

Um dos fatores que justificam a implementação da automação na indústria é a necessidade de acelerar o processamento de informações, pois as operações estão se tornando cada vez mais complexas. Isso exige um maior controle e mecanismos para permitir decisões rápidas e, assim, aumentar a produtividade e eficiência nos processos de produção, mantendo a excelência operacional como objetivo principal. 

Além disso, com o surgimento de sistemas de automação baseados em redes industriais, há inúmeras vantagens em termos de manutenção, disponibilidade e segurança operacional. 

A revolução na comunicação industrial, no contexto da automação, tem um potencial significativo para otimizar sistemas de processos e contribuir para o uso mais eficiente de recursos. 

O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) é um dos protocolos mais amplamente utilizados em aplicações de campo. Ele se destaca por suas vantagens na interação com dispositivos inteligentes e pela flexibilidade da comunicação digital através do sinal 4-20mA para parametrização e monitoramento de informações. Sua introdução em 1989 tinha como objetivo principal possibilitar a calibração fácil e controle de dispositivos analógicos. O HART foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não interferia no sinal analógico de controle. 

O HART permite os benefícios econômicos da comunicação remota, a flexibilidade e a precisão da comunicação de dados digital, o diagnóstico dos instrumentos de campo sem que haja a necessidade de trocar sistemas inteiros. Como nem tudo são flores, poderíamos citar como desvantagem deste padrão de comunicação a limitação da quantidade de equipamentos a serem conectados em uma única saída. 

O HART é o protocolo padrão para comunicação com instrumentos de campo inteligentes. 

Com avanços significativos na tecnologia de redes sem fio, que hoje oferece uma gama de benefícios, incluindo segurança, confiabilidade, estabilidade, capacidade de auto-organização (mesh), baixo consumo de energia, sistemas de gerenciamento de potência e baterias de longa duração, o WirelessHART é, naturalmente, uma evolução do protocolo HART. Pode parecer óbvio, mas o advento de sistemas sem fio garante maior integridade física das instalações, com menor probabilidade de danos mecânicos e elétricos, como rompimento de cabos, curtos-circuitos no barramento e ataques químicos, entre outros. 

O WirelessHART foi desenvolvido para aplicações em automação de processos e com foco na melhoria em segurança e robustez, além de proporcionar redução de custos e simplificação das instalações, menores despesas de manutenção devido à simplicidade das instalações, capacidade de monitorar locais de difícil acesso ou expostos a situações de risco e escalabilidade. 

 
A estrutura de uma rede WirelessHART é ilustrada no diagrama da Figura 1, onde a comunicação ocorre por meio de um gateway. O gateway deve funcionar como um roteador de pacotes para um destino específico, que pode ser um instrumento na rede, uma aplicação hospedeira ou um gerenciador de rede. O gateway utiliza o padrão de comandos HART para se comunicar com os instrumentos na rede e as aplicações. 

Figura 1 – Rede WirelessHart 

O link de dados utiliza intervalos de tempo de 10 ms para comunicações. Esses intervalos de tempo podem ser dedicados a dispositivos individuais ou compartilhados entre um grupo. O WirelessHART suporta roteamento gráfico, onde os caminhos são armazenados por cada dispositivo e são usados para encaminhar pacotes. Em roteamento de origem, o pacote contém as informações sobre os nós da origem até o destino e no roteamento de superquadro, que é uma forma especializada de roteamento gráfico, um dispositivo encaminha um pacote de acordo com a ID do superquadro incorporada na mensagem. Além dessas vantagens, o WirelessHART também suporta transmissões de broadcast, unicast e multicast. 

O WirelessHART faz parte do padrão HART 7, que é o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio desenvolvido especificamente para atender às demandas da indústria de processos. Podemos citar algumas características específicas: 

·         Opera na faixa de 2,4 GHz ISM 

·         Utiliza a técnica de Time Division Multiple Access (TDMA) 

·         Capacidade de alternar entre canais (channel hopping) para evitar interferências e reduzir os efeitos do enfraquecimento do sinal devido a múltiplos caminhos (multi-path fadings). 

·         Desenvolvido com base na camada 7 do modelo OSI. 

·         Introduziu duas novas camadas de Data Link: token-passing e TDMA, ambas compatíveis com a camada de aplicação HART. 

·         Adota uma arquitetura de rede “Mesh” baseada no IEEE 802.15.4 

 As redes “Mesh” possibilitam que os nós da rede estabeleçam rotas redundantes até o ponto central, aumentando a confiabilidade. Se um caminho estiver bloqueado, o sistema pode automaticamente encontrar rotas alternativas para garantir que a mensagem alcance seu destino. 

Para aumentar a confiabilidade e segurança, os dispositivos podem receber intervalos de tempo fixos para acessar o canal de rádio. O link de comunicação entre os dispositivos é protegido pelo uso de chaves de associação e chaves de rede de link de dados. A segurança na transferência de dados é obtida por meio de criptografia, autenticação e verificação de integridade. 

A mudança do antigo sistema de controle de processo de 4-20mA para sistemas digitais e abertos está em um estágio avançado, e os benefícios estão sendo colhidos pelos usuários. 

Essa mudança é vista como um processo natural, uma vez que atende às novas exigências de qualidade, confiabilidade e segurança impostas pelo mercado. A utilização dessas tecnologias oferece uma vantagem competitiva, pois resulta em maior produtividade, reduzindo a variabilidade dos processos e diminuindo os períodos de inatividade nos sistemas de controle. 

Artigo escrito pelo aluno da pós-graduação em Engenharia de Redes Industriais – Danilo Carrasco Abrão.  

REFERÊNCIAS: 

CHUNG, Tran Duc – IBRAHIN, Rosdiazli – ASIRVADAM, Vijanth Sagayan – SAAD, Nordin – HASSAN, Sabo Miya. WirelessHART™: Filter Design for Industrial Wireless Networked Control Systems (English Edition). CRC Press, 2007. 

CHEN, Deji – NIXON, Mark – MOK, Aloysius. WirelessHART™: Real-Time Mesh Network for Industrial Automation (English Edition). Springer, 2010.