PROTOCOLO HARTMiguel Contreras González

Jhon Arzuzar FuentesRedes y Comunicaciones Industriales

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 HARTINTRODUCCIÓN

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.

PROTOCOLO HARTFUNCIONAMIENTO

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.

PROTOCOLO HARTFlexibilidad 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.

PROTOCOLO HARTFlexibilidad 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.

PROTOCOLO HARTLos 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.

PROTOCOLO HARTCodificación 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:

PROTOCOLO HARTNiveles 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.

PROTOCOLO HARTNiveles 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.

PROTOCOLO HARTTipos 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.

PROTOCOLO HARTTopologías

Configuración Punto a Punto

PROTOCOLO HARTTopologías

Configuración Multipunto

PROTOCOLO HARTAplicaciones

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.

PROTOCOLO HARTCaracterísticas

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

PROTOCOLO HARTVentajas

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.

PROTOCOLO HARTLimitación

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.

PROTOCOLO HARTNormatividad

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.

PROTOCOLO HARTConclusiones

• 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.

PROTOCOLO HART

GRACIAS