El documento explica el protocolo de comunicaciones HART. HART permite la comunicación digital bidireccional sobre el mismo par de cables utilizado para la señal analógica convencional de 4-20 mA. La señal analógica transmite la variable de proceso principal, mientras que la comunicación digital transmite parámetros adicionales, configuración e información de diagnóstico del instrumento de campo. HART usa modulación FSK para superponer las señales digitales a la señal de corriente continua sin interferirla.

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Protocolo Hart

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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

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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

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Interface RS232 D Interface RS 485

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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.

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• 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).

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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.