El protocolo HART permite la comunicación digital bidireccional a través de cables analógicos de 4-20 mA entre instrumentos inteligentes de campo y sistemas de control o monitoreo. Desarrollado en la década de 1980, HART es un estándar mundial que ofrece acceso a datos de instrumentos de forma gratuita. HART superpone señales digitales de bajo nivel sobre las señales analógicas existentes para actualizar información dos veces por segundo sin interrupción del lazo analógico.
2. El Protocolo HART (“Highway Addressable Remote Transducer – Transductor
Remoto Direccionable de Alta Velocidad). Fue desarrollado a mediados de la
década de 1980 por Rosemount Inc. para usar con una gama de
instrumentos de medición inteligente. Originalmente para uso personal de
su propietario, el protocolo fue pronto publicado para uso libre por cualquier
persona. En 1990 se formó el grupo de usuarios de HART. EN 1993, la marca
registrada y todos los derechos del protocolo fueron trasladados a la
Fundación de Comunicación HART (HCF). El protocolo sigue siendo libre y
gratuito para el uso de todos sin necesidad de pago de regalías.
PROTOCOLO HART
INTRODUCCIÓN
3. PROTOCOLO HART
¿Qué es HART?
En pocas palabras, el Protocolo HART (transductor remoto direccionable de
Alta Velocidad) es el estándar mundial para enviar y recibir información
digital a través de cables analógicos entre dispositivos inteligentes y el
sistema de control o de monitoreo.
Más específicamente, HART es un protocolo bidireccional de comunicación
que suministra acceso de datos entre instrumentos inteligentes de campo y
sistemas centrales. Un sistema central puede ser cualquier aplicación de
software desde el dispositivo de mano o laptop del técnico hasta el control
de procesos de una planta, gestor de activos, seguridad u otro sistema que
use cualquier plataforma de control.
4. PROTOCOLO HART
FUNCIONAMIENTO
El protocolo Hart hace uso del protocolo de Bell 202 Frecuency Shift Keying
(FSK) estándar para superponer señales de comunicación digitales de bajo
nivel encima de las señales 4-20mA.
5. PROTOCOLO HART
Flexibilidad de Aplicación
HART®
es un protocolo del tipo maestro/esclavo, lo que significa que un
instrumento de campo (esclavo) solamente “responde” cuando sea
“preguntado” por un maestro. Dos maestros (primario y secundario) se
pueden comunicar con un instrumento esclavo en una rede HART®
. Los
maestros secundarios, como los configuradores portátiles de pueden ser
conectados normalmente en cualquier punto de la red y comunicarse con los
instrumentos de campo sin provocar problemas en la comunicación con el
maestro primario. El maestro primario es típicamente un SDCD (Sistema
Digital de Control Distribuido), un PLC (Controlador Lógico Programable), un
controlador central basado en computador o un sistema de monitoreo.
6. PROTOCOLO HART
Flexibilidad de Aplicación
La comunicación maestro/esclavo digital, simultánea con la señal analógica
de 4-20mA es la más común. Este modo, permite que la información digital
proveniente del instrumento esclavo sea actualizada dos veces por segundo
en el maestro.
7. PROTOCOLO HART
Los niveles de la señal
El protocolo HART tiene como especificación, que los maestros deben
transmitir una señal de voltaje, sin embargo el esclavo debe transmitir una
señal de corriente. La señal de corriente se convierte a señal de voltaje
mediante una pequeña resistencia de carga, de modo que todos los
dispositivos utilizan receptores pasivos.
8. PROTOCOLO HART
Codificación de caracteres
Los mensajes de Hart son codificados como series de 8 bits, es decir bytes.
Estos se transmiten de modo serial, utilizando una UART convencional
(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) para serializar cada byte,
añadiendo un bit de inicio, un bit de paridad impar y un bit de fin.
Formato del mensaje:
9. PROTOCOLO HART
Niveles de aplicación
El Nivel Físico HART está basado en la norma Bell 202, usa la modulación por
desplazamiento de frecuencia (MDF) para comunicarse a 1200 bps. Las
frecuencias de señal que representan los valores de bit 0 y 1 son 2200 y 1200
Hz respectivamente.
El nivel de Enlace de Datos HART define un protocolo maestro-servidor - en
uso normal, un dispositivo de campo sólo contesta cuando le hablan.
El Nivel de red suministra enrutamiento, seguridad de punta a punta y
servicios de transporte.
El nivel de transporte: se puede usar para asegurar que la comunicación de
punta a punta sea correcta.
10. PROTOCOLO HART
Niveles de aplicación
El Nivel de Aplicación define los comandos, respuestas, tipos de datos e
informes de estado respaldados por el Protocolo.
•Comandos universales - suministran funciones que se pueden implementar
en todos los dispositivos de campo
•Comandos de Práctica Común - suministran funciones comunes para
muchos, pero no para todos los dispositivos de campo
•Comandos Específicos para Dispositivo - suministran funciones que son
únicas para un dispositivo de campo en particular y son especificadas por el
fabricante del dispositivo
•Comandos para Familia de Dispositivos - suministran un juego de funciones
estandarizadas para instrumentos con tipos particulares de medición y
permiten el acceso genérico total sin usar comandos específicos para un
dispositivo.
11. PROTOCOLO HART
Tipos de comunicación
El protocolo HART es del tipo Half Duplex, ya que los datos pueden viajar en
una u otra dirección, pero sólo durante un determinado periodo de tiempo.
El método llamado BURST se usa generalmente para enviar digitalmente una
sola variable, tal como una variable de proceso.
14. PROTOCOLO HART
Aplicaciones
La selección para la aplicación de este protocolo, debe cumplir con el criterio
de velocidad de actualización del valor de la variable medida del proceso en
el canal de comunicación. Así mismo, se debe seleccionar para aplicaciones
de monitoreo y/o control de variables críticas de proceso y variables no
críticas de proceso, sistemas de seguridad y sistemas intrínsecamente
seguros.
15. PROTOCOLO HART
Características
Las características del protocolo HART son:
• Control por Conteo de Bytes
• Transmisión Asincrónica HDX, punto a punto y multipunto
• Carácter Básico de 1 bit de arranque, 8 de información, 1 de paridad impar y 1 de
parada; NRZ
• Un Maestro puede controlar hasta 15 Remotos
• Operación en Modo de Respuesta Normal
• Permite hasta 250 variables en cada dispositivo de campo
• 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
16. PROTOCOLO HART
Ventajas
Las principales ventajas obtenidas con el protocolo HART son:
• Permite soportar hasta 256 variables
• Los transmisores pueden conectarse entre sí a través de un bus y
conectarse con 15 Dispositivos (PLC, PCs, actuadores, Transductores, etc.)
• Entrega una alternativa económica de comunicación digital.
• Implica un ahorro considerable en materiales eléctricos en las instalaciones
multipunto.
17. PROTOCOLO HART
Limitación
Si bien el HART cumple con el requerimiento de seguridad
intrínseca y logra una cantidad aceptable de interoperabilidad
(más de lo que la mayoría creen), su velocidad es la principal
limitación.
•Modo pregunta/respuesta: 2-3 actualizaciones por segundo.
•Modo burst: 3-4 act/seg.
18. PROTOCOLO HART
Normatividad
Los principales estándares utilizados en el protocolo HART son:
•El módem Bell 202: Especifica audio desplazamiento de frecuencia (AFSK)
para codificar y transferir datos a una velocidad de 1200 bits por segundo
•Formato en coma flotante IEEE 754 (32 bits) con unidades de ingeniería.
ISO / IEC / IEEE 60559:2011
•Estándar IEEE 802.15.4: define el nivel físico y el control de acceso al medio
de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de
datos (low-rate wireless personal area network, LR-WPAN).
•IEC 61158: Estandar para la familia de protocolos Fieldbus.
19. PROTOCOLO HART
Conclusiones
• Habiendo observado teóricamente el funcionamiento, las características
y aplicaciones del protocolo HART vemos que permite ahorros al
momento de la digitalización de campos industriales, ya que el protocolo
hace uso de los cables instalados para comunicación analógica
de 4 – 20 mA.
• Ya que HART fue diseñado para ampliar las comunicaciones con los
instrumentos de medición y control que tradicionalmente se
comunicaban con señales 4-20 mA, es aplicable a todo tipo de industrias
de proceso.
