Protocolo Hart. Prof. Paulo Toro Olivos Página 1

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1 Protocolo Hart Prof. Paulo Toro Olivos Página 1

2 Introducción Para poder entender sobre el protocolo de comunicación HART es necesario explicar a grandes rasgos cual es propósito de ésta tecnología, para esto tenemos que saber algunos puntos que en esta etapa, en la cual nombraremos las siguientes: Comunicación entre dispositivos sobre el mismo par de cables que se utiliza para transportar la señal de instrumentación digital 4 20 ma convencional. Tiene una variable ( canal) de información que transporta un valor analógico de 4 a 20 ma y otro canal de comunicación digital donde otras variables pueden ser comunicadas utilizando pulsos para representar bit binarios de 0 y 1 Veremos de una forma muy general que como actúa hart y a que apunta: El trasmisor regula la corriente en valores que representen la variable de proceso La fuente de alimentación proporciona el voltaje para que el transmisor funcione El trasmisor regula la corriente en valores que representen la variable de proceso La fuente de alimentación proporciona el voltaje para que el transmisor funcione La potencia DC y la señal de corriente analógica se transporta por un par de cables comunes los datos digitales pueden ser transportados entre los transmisores de loop en forma de pulsos eléctricos superpuestos en el cable Prof. Paulo Toro Olivos Página 2

3 Definición de Hart Durante muchos años, el estándar de comunicación de señales de los buses campo utilizada por los equipos de automatización de proceso ha sido la transmisión analógica convencional en corriente 4-20mA. Conviviendo con este sistema de transmisión nos podemos encontrar aún en la actualidad otros sistemas de transmisión analógicos como transmisión en tensión de 0-10V o 0-5V y transmisión en corriente 0-20mA, dentro de sistemas de adquisición de datos de variables físicas típicas como: presión, nivel, caudal, temperatura, etc. En 1986 fue introducido por primera vez por la compañía Rosemount Inc. el protocolo de comunicación HART (Highway Adressable Remote Transducer). Este protocolo proporciona una solución para la comunicación de instrumentos inteligentes, compatible con la transmisión analógica convencional en corriente 4-20mA, que permite que la señal analógica y las señales de comunicación digital sean transmitidas simultáneamente sobre el mismo cableado. Mediante este sistema la información de la variable primaria y señal de mando es transmitida mediante la señal analógica de 4-20mA, mientras que la señal digital es utilizada para transmitir otro tipo de información diferente como parámetros del proceso, configuración, calibración e información de diagnostico del instrumento. Características de Hart Control por Conteo de Bytes Transmisión Asincrónica FDX/HDX, punto a punto y Multipunto Carácter Básico de 1 bit de arranque, 8 de información, 1 de paridad impar y 1 de pare; NRZ Una Maestra puede controlar hasta 15 Remotas Operación en Modo de Respuesta Normal Distancia máxima: hasta 3000 m con par trenzado apantallado calibre AWG 24 hasta 1500 m con cable multipar, par trenzado común apantallado calibre AWG 20 Modulación FSK, 1200 bps, con Módems Tipo Bell 202 Medio de transmisión: par trenzado y el lazo de corriente de 4-20 ma Interfaces asociadas: RS-232D y RS-485 Prof. Paulo Toro Olivos Página 3

4 Interface RS232 D Interface RS 485 Prof. Paulo Toro Olivos Página 4

5 Descripción de Hart HART es principalmente un protocolo maestro/esclavo lo que significa que el dispositivo de campo (esclavo) habla solo cuando es preguntado por un maestro. En una red HART dos maestros (primario y secundario) pueden comunicar con un dispositivo esclavo. Los maestros secundarios pueden comunicarse a la vez con los dispositivos de campo sin distorsionar la comunicación con el maestro primario. Un maestro primario puede ser típicamente un DCS (Sistema Distribuido de Control), un PLC, o un sistema central de monitorización o control basado en PC, mientras un maestro secundario puede ser un comunicador portátil. Tipos de red Hart La comunicación hart puede operar de dos formas de red punto-punto o multipunto. Comunicación Punto punto: la señal convencional de 4-20 ma es usada para comunicar una variable de proceso mientras otras variables adicionales, parámetros de configuración y otras informaciones del dispositivo son transmitidas digitalmente usando el protocolo HART. La señal análoga de 4-20 ma no es afectada por la señal HART y puede ser usada para el monitoreo o control de forma normal. La señal de comunicación digital HART le da acceso a variables secundarias y otras informaciones pueden ser utilizadas para propósitos de operación, mantención y diagnóstico. Prof. Paulo Toro Olivos Página 5

6 Comunicación tipo Multipunto: El modo Multipunto requiere solamente un par de alambres y el lazo de control puede tener barreras de seguridad y fuentes de poder auxiliares para hasta 15 aparatos de terreno. Todos los valores de proceso son transmitidos digitalmente en el modo Multi-punto, las direcciones de "Polling" de los aparatos de terreno son mayores que 0 y la corriente a través de cada equipo está fijada a un mínimo valor (típicamente 4 ma). Prof. Paulo Toro Olivos Página 6

7 Descripción Protocolo HART Este artículo describe el diseño e implementación de una aplicación software para el uso del protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) de comunicaciones industriales. Aunque dicho protocolo es uno de los más utilizados en el mundo. La aplicación Hart fue concebida como una solución con propósitos académicos y con perspectiva industrial que brinda al usuario la posibilidad de leer y configurar dispositivos de campo inteligentes, en un ambiente gráfico agradable que soporta lectura de variables de proceso en tiempo real y suministra al usuario información detallada de cada una de las transacciones realizadas; también se muestra las generalidades del protocolo Hart en su estructura funcional y sus aplicaciones, las cuales son aplicaciones en tiempo real Prof. Paulo Toro Olivos Página 7

8 Tecnología Hart El protocolo HART utiliza el estándar Bell 202, (MODEM) por los cambios de frecuencia de conmutación (FSK Frequency Shift Keying, modulación de frecuencia cuya señal modulante) para superponer las señales digitales de comunicación a una señal análoga convencional de 4 a 20mA. Como la señal digital FSK simétrica a cero, no existe un nivel de CC asociadas a la señal y por lo tanto no interfiere con la señal 4-20mA. La lógica "1" es representada por una frecuencia de 1200Hz y la lógica "0" es representada por una frecuencia de 2200Hz. El HART de la señal FSK permite la comunicación digital de dos vías, lo que hace posible la transmisión y recepción de información, más allá de que es la variable del proceso normal de los dispositivos de campo inteligentes. El HART se extiende hay una tasa de 1200 bits por segundo, sin interrumpir la señal 4-20mA y permite que una aplicación como "maestro" para que dos o más actualizaciones por segundo procedente de un instrumento único campo. Ventajas de la tecnología HART Amplia variedad y número creciente de productos proporcionado por una lista de crecientes proveedores de instrumentos Hart es el único protocolo de comunicaciones abierto de su tipo y un estándar en la industria.los usuarios tienen la libertad de elegir el producto adecuado para su aplicación y la interoperatividad esta asegurada ` por los comandos comunes y de la estructura de datos. Relativamente fácil de comprender y utilizarlo, permitiendo acceder a la gran variedad de información adicional (variables, diagnósticos, calibración etc), proporcionada por los dispositivos de campo inteligente que emplean esta tecnología: Hart permite a los fabricantes de instrumentos de campos incorporar potentes características en sus productos, como algoritmos de control PID, diagnósticos, y mediciones adicionales de procesos. HART es una solución sin riesgo para comunicaciones de campo de altas prestaciones. El mantenimiento y operación de un sistema hart son relativamente sencillas; especialmente en comunicaciones punto a puntos. HART permite reducir los costos los costos de cableado mediante un sistema multodrop, que conecta a varios dispositivos mediante el mismo cable. Modos de comunicación El protocolo HART utiliza el estándar Bell 202 FSK (Codificación por Cambio de Frecuencia) para superponer las señales de comunicación digital al bucle de corriente 4-20mA, como se muestra en la Figura 1. Prof. Paulo Toro Olivos Página 8

9 Figura 1. Comunicación digital HART superpuesta a la señal analógica de 4-20mA La información binaria es representada mediante una señal de dos frecuencias distintas. Un cero lógico es representado por una frecuencia de 2200Hz, mientras un uno lógico es representado por una frecuencia de 1200Hz. Estos tonos se superponen a la señal de continua, y como la señal de AC tiene un valor promedio cero, la señal de continua no es afectada como se muestra en la Figura 2. El protocolo HART permite la comunicación digital en los dos sentidos de forma que es posible enviar información adicional a la variable de proceso transmitida hacia o desde un instrumento de campo inteligente. La variable de proceso es portada por la señal analógica mientras que mediante la comunicación digital se accede a medidas adicionales, parámetros de proceso, configuración de instrumentos, calibración e información de diagnostico que mediante el protocolo HART viaja sobre el mismo cable y simultáneamente a la señal analógica. Esto supone una gran ventaja a la hora de implantar esta tecnología de comunicación digital, frente a otras tecnologías digitales, ya que es compatible con los sistemas existentes. Figura 2. Codificación FSK del protocolo HART sobre la señal analógica 4-20mA. Prof. Paulo Toro Olivos Página 9

10 Tipos de Señales Las señales que maneja el protocolo hart estan basadas en señales digitales cuales se mueven a través señales analógicas convencionales. Una de las ventajas de estas señales digitales es que permiten el acceso a instrumentos inteligente que podemos encontrar en la industria hoy en dia Los enlaces de comunicación digital se componen de dos niveles básicos del Modelo OSI: el Enlace y el Físico. El Nivel Físico o también llamado medio de conexión entre los módulos de sistemas digitales y el protocolo. El medio puede ser un cable coaxial, una señal de radio, un cable de fibra óptica, un conjunto de módems en una línea telefónica, un enlace a satélite, un cable de 25 conductores desde el sistema digital a un módem o una combinación de estos medios. El nivel de Enlace es el medio o interconexión de los distintos dispositivos esclavos y maestros. Algunos enlaces físicos son diseñados estrictamente para la conexión de solamente dos dispositivos como las interfaces RS-232 y RS-422. Algunas son diseñadas para ser usadas con múltiples dispositivos, que se comunican a través de un único enlace físico (como en una red de área local o LAN), tal como la interfaz RS-485 Cuando existen dos o más módulos de sistemas digitales interconectados en un único circuito de comunicaciones o red, éstos deben ser capaces soportar un protocolo de red; estos protocolos usan diferentes mecanismos para asegurar una comunicación confiable y robusta. Muchos de ellos son propietarios es decir, para su empleo solo en una determinada marca de equipo, requiriendo drivers o interfaces especiales de software y a menudo también de hardware. Comandos Hart La comunicación HART está basada en comandos. Hay tres tipos de comandos que van a proporcionar acceso de lectura-escritura a la información disponible en los instrumentos de campo compatibles con HART. Los comandos pueden ser Comandos Universales (Universal Commands), Comandos de Practica Común (Common Practice Commands) y Comandos Específicos del Dispositivo (Device Specific Commands). Los Comandos Universales aseguran la interoperabilidad entre los productos de distintos fabricantes, y proporcionan el acceso a la información útil en la operación habitual en planta. Todos los esclavos compatibles HART deben responder a todos los Comandos Universales. Los Comandos de Practica Común proporcionan acceso a funciones que son implementadas en muchos dispositivos, pero no en todos. Son opcionales, pero si se implementan, debe ser como se especifica. Los Comandos Específicos del Dispositivo ofrecen la libertad para que cada aparato particular tenga parámetros o funciones exclusivos Prof. Paulo Toro Olivos Página 10

11 Hart Inalámbrico Se basa en el estándar HART de amplia difusión, tal como lo evidencian los 20 millones de dispositivos de campo compatibles con HART. HART se concibió originalmente como una ampliación del bucle de corriente 4 a 20 ma común, con el fin de proporcionar dispositivos de campo con mayor funcionalidad. La infraestructura existente se puede equipar con WirelessHART WirelessHART permite una mejor utilización de las nuevas aplicaciones Prof. Paulo Toro Olivos Página 11

12 Ahora, ha llegado la siguiente etapa de la evolución del HART. El estándar WirelessHART, publicado en septiembre de 2007, se basa directamente en el protocolo HART, pero es independiente de la ruta de transferencia física. HART utiliza una banda de 2,4 GHz (sin licencia y de uso en todo el mundo) como medio de transferencia para varias tecnologías de radio, incluido WLAN, Bluetooth y ZigBee. Con el fin de evitar colisiones en la banda de frecuencia de 2,4 GHz, WirelessHART lleva a cabo una búsqueda especial de los canales no utilizados en esta banda de frecuencia y comprueba las interferencias mutuas de las tecnologías de radio Utiliza una red de malla plana donde todas las estaciones de radio componen una red en la que cada estación participante actúa simultáneamente como fuente de señal y como repetidor. El transmisor original envía un mensaje a su vecino más próximo, que transmite este mensaje, hasta que el mensaje llega a la estación base y al receptor real. De este modo, la red cubre un área grande. Además, en la fase de inicialización se configuran rutas alternativas. En el caso de que el mensaje no se pueda transmitir en una determinada ruta, por ejemplo, debido a un obstáculo o un receptor defectuoso, el mensaje se pasa automáticamente a una ruta alternativa. Además de la cobertura de áreas de mayor tamaño, se incrementa la fiabilidad de la transmisión. WirelessHART: Es la simbiosis entre la ampliamente difundida y probada tecnología HART y la nueva tecnología de radio (por lo menos, nueva en la tecnología de proceso). Además de la conocida aplicación HART para la parametrización de dispositivos, HART ya se ha utilizado ampliamente para: -Supervisión de valores de instrumentos y medioambientales -Gestión y optimización de activos -Mantenimiento preventivo -Supervisión del rendimiento -Gestión de energía Los requisitos de estas aplicaciones en lo que respecta a disponibilidad, rutas de transmisión y velocidades se corresponden con la capacidad de rendimiento que se puede lograr con la tecnología de radio. Y el concepto WirelessHART también ofrece una integración perfecta en las infraestructuras existentes, con accesibilidad simultánea a nuevas estructuras Los beneficios de Instalar Hart Podemos concluir que la tecnología Hart ha incorporado múltiples beneficios a la industria y a los protocolos de comunicación esto lo podemos argumentar con los siguiente puntos que expondremos Mejora las operaciones en planta. Otorga mayor flexibilidad operacional. Protege la inversión hecha en la instrumentación de la planta. Entrega una alternativa económica de comunicación digital. Implica un ahorro considerable en materiales eléctricos en las instalaciones Multipunto. Prof. Paulo Toro Olivos Página 12