INTRODUCCION

Las grandes industrias como petroquímicas y procesadoras de alimentos emplean dispositivos de campo (Sensores, Actuadores) para la lectura permanente de diversas variables de sus procesos con el fin de evitar pérdidas del producto, accidentes o simplemente para mejorar la eficiencia en la producción. Estas mediciones en un principio eran manuales y se requería de un gran número de personal para poder controlar toda la fábrica, planta de producción o campo de extracción. Hoy es muy común hablar sobre la digitalización de la información en procedimientos y medios de medición del campo industrial, lo que conlleva a controlar de manera casi exacta los procesos de una industria. Con el tiempo se han implementado en la industria otros métodos para poder realizar las mediciones de modo remoto, sin la necesidad de ir al campo, y a su vez permitan la transmisión de información detallada del equipo, su estado y funciones. Con la aparición de nuevas tecnologías en los dispositivos de campo surgen los sensores electrónicos que permiten la lectura de variables de un modo más eficiente, e incluso la transmisión de las mismas a un equipo central. Una de estas formas de comunicación es el lazo de 4 a 20 mA, un lazo de corriente el cual dependiendo del valor medido por el Sensor, se le asigna un nivel de corriente en mA, es decir, 4 mA equivale al menor valor posible de la variable medida y 20 mA al máximo. Una de las actuales formas de comunicar dispositivos de campo es mediante el Protocolo Hart, ideado por Fisher Rosemount. El protocolo HART es actualmente propiedad de la Fundación HART.

MARCO TEORICO

El protocolo de comunicación HART® es mundialmente reconocido como un protocolo estándar de la industria para comunicación de los instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, basados en microprocesador. El uso de esta tecnología está creciendo rápidamente y hoy en día prácticamente todos los principales fabricantes del mundo de instrumentación ofrecen productos con comunicación HART®.

El protocolo HART® permite la superposición de señal de comunicación digital a las señales analógicas de 4-20mA, sin interferencia, en el mismo cableado. El protocolo HART® proporciona algunos de los beneficios dados por la tecnología fieldbus, manteniendo la compatibilidad con la instrumentación analógica y aprovechando el conocimiento ya dominado sobre los sistemas 4-20mA existentes.

El protocolo de comunicación HART (HART= Transductor Remoto Direccionable de Alta velocidad, por sus siglas en inglés) fue introducido por primera vez por la compañía Rosemount Inc. en 1986 como un estándar de Diseño exclusivo para la comunicación de transmisores. Poco después de su introducción, Rosemount decidió permitir su acceso para uso por parte de otros fabricantes. Desde esa fecha, ese protocolo ha adquirido amplia popularidad, y ahora constituye uno de los estándares de facto de mayor desarrollo para la instrumentación de campo de procesos. En la actualidad, más de 60 fabricantes ofrecen productos con el protocolo HART. El estándar está regulado en el presente y puede adquirirse en la HART Communication Foundation (HCF), un consorcio de proveedores y usuarios de HART.

El motivo de la aceptación obtenida por el protocolo se debe a las ventajas que ofrece HART al usuario. Es un protocolo de comunicación que puede usarse en los existentes sistemas de control de 4-20 mA con gastos mínimos para su implementación. Pueden utilizarse los actuales cableados de campo y las Salidas y Entradas de sistemas de control. Debido a que HART combina la señalización analógica y digital, el protocolo ofrece un control notablemente rápido de la variable primaria y permite la transmisión simultánea de información que no sea de control.

HART usa una técnica de codificación por modificación de frecuencia (SFK, por sus siglas en inglés) para sobreponer comunicación digital en el bucle de corriente de 4-20 mA que conecta el instrumento de campo con el sistema de control. Se utilizan dos frecuencias (1.200 Hz y 2.200 Hz) para representar un 1 y un 0 binarios.

Estos tonos se sobreponen a la señal DC a un bajo nivel. La señal AC tiene un valor promedio de cero. Por ello, no se registra ningún cambio de DC en la señal existente de 4-20 mA, independientemente de los datos digitales. En consecuencia, el instrumento puede seguir utilizando la señal analógica 4-20 mA para control de procesos y la señal digital para información que no sea de control. 

HART también ofrece la posibilidad de funcionar en multipunto, pudiendo conectarse hasta 16 instrumentos en el mismo par de líneas. Sin embargo, la señalización digital de HART alcanza

1.200 baudios, lo cual limita el número de aplicaciones que pueden utilizar el multipunto para control de procesos. La función multipunto de HART podría tener una efectiva aplicación como transmisor múltiple de temperaturas permitiendo la vigilancia del proceso. 

La Tecnología HART

El Protocolo HART® usa el estándar Bell 202, Modulación por cambios de Frecuencia (FSK) para superponer las señales de comunicación digital a la señal de 4-20mA. Puesto que la señal digital FSK es simétrica en relación al cero, no existe nivel DC asociado a la señal y por lo tanto este no interfiere en la señal de 4-20mA. Una lógica “1” es representada por una frecuencia de 1200Hz y la lógica “0” es representada por una frecuencia de 2200Hz, como es mostrado en las figuras 1 y 2. La señal HART® FSK permite la comunicación digital en dos vías, haciendo posible la transmisión y recepción para obtener información adicional, mas allá de la variable normal de proceso en instrumentos de campo inteligentes. El protocolo HART® se propaga a una velocidad de 1200 bits por segundo, sin interrumpir la señal de 4-20mA y permite una aplicación de tipo “maestro” permitiendo dos o más actualizaciones por segundo desde un único instrumento de campo.

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 controle central basado en computador o un sistema de monitoreo. En la figura 3 se muestra una instalación típica con dos maestros.

Algunos equipos HART incluyen el controlador PID en sus algoritmos, implementando una solución de control con buena relación costo-beneficio.

 

El Protocolo HART puede ser usado de diversas maneras para transmitir información de/para instrumentos de campo inteligentes a centrales de control o equipos de monitoreo. 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. La señal de 4-20mA es continua y puede llevar la variable primaria de control.

¿Qué es HART?

Se llama un protocolo híbrido porque combina comunicación analógica y digital. Puede comunicar una sola variable usando una señal analógica de 4-20 mA, mientras comunica también información agregada sobre una señal digital. La información digital es transportada por una modulación de bajo nivel superpuesta en un lazo de corriente estándar de 4 a 20 mA. La señal digital no afecta la lectura analógica porque se remueve de la señal analógica mediante técnicas estándar de filtrado. La habilidad de llevar esta información digital agregada es la base de los beneficios clave de HART.

Comunicación bidireccional

Al usar una señal analógica, la información se envía en una sola dirección, ya sea del dispositivo al host (entradas) o del host al dispositivo (salidas).

La información digital, por otro lado, puede viajar en ambas direcciones usando la señal de comunicación digital HART. Esto abre un nuevo camino para un instrumento que tradicionalmente sólo recibe información de señal de control desde un host —- una controlador de válvula, por ejemplo — para enviar también información al host acerca de lo que está pasando en la válvula. De manera similar, un transmisor que tradicionalmente sólo envía una

variable de proceso al host, ahora también puede recibir información tal como ajustes de configuración.

LA SEÑAL HART

El protocolo HART proporciona una solución para la comunicación de instrumentos, compatible con la transmisión analógica en corriente de 4-20 mA, que permite que la señal analógica y las señales de comunicación digital sean transmitidas simultáneamente sobre el mismo cableado. Mediante este sistema la información digital (datos) es transmitida sobre la señal analógica de 4-20 mA (modulada en frecuencia, ver figura 5); lo que permite transmitir otro tipo de información adicional como, configuración, calibración e información de diagnostico del instrumento.

Características del protocolo HART

FUNDAMENTO TECNOLÓGICO DE HART

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.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.

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 diagnóstico 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.

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 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.

Dentro del protocolo HART existen varios modos para la comunicación de información desde/hacia instrumentos de campo inteligentes y el controlador central o equipos de monitorización. La comunicación digital maestro/esclavo simultánea con la señal analógica 4-20mA es la más común. Este modo, permite que el esclavo responda a los comandos-peticiones del maestro 2 veces por segundo, mientras que la señal analógica, que es continua, puede seguir portando la variable de control.

Otro modo de comunicación opcional es el modo “Burst”, que permite que un único dispositivo esclavo emita continuamente un mensaje HART de respuesta estándar.

El protocolo HART también tiene la capacidad de conectar múltiples dispositivos de campo sobre el mismo par de hilos en una configuración de red multipunto. En la configuración multipunto, la comunicación está limitada a la comunicación digital maestro/esclavo. La corriente a través de cada dispositivo esclavo se fija al mínimo valor para alimentar el dispositivo y no tiene ningún significado relativo al proceso.

Desde la perspectiva de la instalación, para las señales de comunicación HART se utiliza el mismo cable usado para transmitir la señal analógica 4-20mA. Las longitudes de cable permitidas van a depender del tipo de cable utilizado y del número de dispositivos conectados.

¿En qué se diferencia la salida HART de otras salidas?

A diferencia de un transmisor, un instrumento de válvula analógica está diseñado para ofrecer una baja impedancia en el campo y recibir la señal de 4-20 mA, no controlarla. Cuando se reemplaza un instrumento de válvula analógica con un dispositivo basado en HART, éste

debe permitir la vigilancia de la corriente y proporcionar la circuitería de control de corriente. Esta circuitería se utiliza para vigilar la señal de 4-20 mA (DC) para control de válvulas. También debe permitir la vigilancia y control de corriente a 1.200 y 2.200 Hz para señalización digital. 

Otra diferencia que presentan los dispositivos de salida HART es el Diseño del sistema de control al cual están conectados. Los canales de entrada analógica que se usan con transmisores son diseñados generalmente como una fuente de voltaje con un sensor de resistencia en la ruta de retorno. La impedancia de 250 Ohm de este canal de entrada es apropiada para la comunicación HART al igual que para la detección de corriente analógica y ofrece longitudes óptimas de cable. En el caso de un instrumento instalado en una válvula conectado a un canal de salida analógica (SA), la situación es distinta. El instrumento debe presentar la menor impedancia para la vigilancia de la corriente de bucle y el canal SA debe presentar la mayor impedancia para la comunicación HART. 

Los canales de salida analógica han sido diseñados en una variedad de formas. Algunos presentan características de alta impedancia en frecuencias HART y otros muestran características de baja impedancia en frecuencias HART. Los canales de salida analógica también pueden generar transientes de corrientes que interfieren con las comunicaciones HART.

Entrada analógica convencional a un DCS para un transmisor de 2 alambres

La necesidad de instalar un filtro

Un Diseño SA de baja impedancia o con interferencia de ruido podría afectar significativamente o impedir la comunicación HART. A fin de resolver este problema para instalaciones DCS existentes, se puede colocar un sencillo filtro activo en el canal de salida.

Este filtro suministra una alta impedancia de salida en las frecuencias de comunicación HART al tiempo que permite el paso de la señalización de 4-20 mA. Una segunda función del filtro es uniformar el paso de la corriente del sistema DCS que de otra manera podrían distorsionar un mensaje HART. Con unos cuantos sistemas de control existentes, el canal de salida analógica tiene una "lectura" de corriente para vigilar la corriente que se envía al instrumento en la válvula. La comunicación HART podría generar errores en esta lectura. El filtro ofrece un método conveniente para eliminar igualmente este potencial problema.

Los instrumentos instalados en válvulas HART proporcionan numerosos beneficios, que anteriormente no eran factibles para los usuarios. Ofrecen una perspectiva en tiempo real de las condiciones de operación en la válvula, entre ellas: la posición del guía de la válvula, la corriente de entrada analógica y la presión del actuador. También permiten el diagnóstico en el tablero de control para efectuar un análisis de válvula/actuador.

Esta información es esencial para establecer un programa de mantenimiento pro activo y eliminar problemas antes de que influyan en el proceso. Al igual que con los transmisores, el uso de software basado en Windows puede suministrar esta información sin tener que ingresar a áreas de riesgo o de difícil acceso.

Un posicionador HART es conectado a una salida analógica convencional de un DCS a través de un filtro.

Diseño en Seguridad Intrínseca (S.I.)

La protección contra explosiones de "Seguridad Intrínseca" se diseña generalmente de manera tal que una interface S.I. esté conectada entre la salida analógica DCS y el posicionador. Durante la fase de ingeniería, es necesario asegurarse de que las funciones requeridas del circuito no sean afectadas por la interface de S.I. y que no se superen los valores del límite de seguridad. 

En términos de la salida HART, esto significa que la interface S.I. debe transferir la señal 4...20 mA de DCS al posicionador, permitir el paso de la señal HART-FSK en ambas direcciones, y que en mayor medida no esté atenuada. Además, se puede mejorar el funcionamiento del filtro HART con su incorporación en la interface de S.I.

Si el posicionador se operara con salidas analógicas convencionales de 4 a 20mA, por ejemplo, que no están especialmente equipadas para la comunicación HART, la interface de S.I. también deberá incorporar conexiones apropiadas para un terminal manual o módem. En campo, debería poder conectarse un HHT aprobado para S.I.; de modo alternativo, en el área correspondiente al DCS debería poder conectarse un HHT o un Módem. 

Para el sencillo circuito de Seguridad Intrínseca considerado en este trabajo, el Diseño se efectúa en términos de los valores máximos de seguridad. Estos valores máximos están especificados en la interface y en las certificaciones del posicionador.

Si existe la posibilidad de usar un HHT en el área peligrosa, debe tomarse en cuenta que desde el punto de vista de la Seguridad Intrínseca hay una interconexión de dos dispositivos activos. Asimismo, la interconexión no debe superar los valores máximos del posicionador. Por ejemplo: Si Im HHT(out) = 5 mA e Im Interface I. S. (out) = 105 mA, entonces Imax posicionador (in) debe ser igual o mayor que 110 mA. 

Posicionador HART con aislador galvánico S. I. comunicación en el circuito S. I. o por medio del aislador

Los Beneficios del Protocolo de Comunicación HART en Sistemas de Instrumentación Inteligentes

Capacidad Digital

Acceso a todos los parámetros y diagnóstico del instrumento

Soporta instrumentos multivariábles

Estado del instrumento en línea

Compatibilidad Analógica

Comunicación analógica y digital simultánea

Compatible con cableado y equipos 4-20 mA ya existentes

Interoperabilidad

Estándar totalmente abierto

Comandos universales y estructura de datos

Optimizado por la Descripción del lenguaje del Instrumento

Disponibilidad

Tecnología probada en campo como más de 1.400.000 instalaciones

Extensa variedad de productos

Protocolo más usado en instrumentos de campo que cualquier otro en la industria

PRINCIPALES CARACTERISTICAS DEL PROTOCOLO HART.

Fácil de usar: HART tiene una eficacia probada en terreno, es muy sencillo de usar y

provee una muy efectiva comunicación digital de dos vías. Asimismo, este protocolo es usado simultáneamente con la señal análoga de 4-20 mA, utilizada por los instrumentos tradicionales.

Solución de comunicación única: Como ninguna otra tecnología de comunicación digital, el protocolo HART provee una excepcional solución de comunicación compatible con gran parte de la base de instrumentos instalados y en uso actualmente. Esta característica de compatibilidad asegura que el cableado existente y la estrategia de control actual continuará en el futuro. Diseñado para ocupar la señal análoga tradicional de 4-20 mA, el protocolo HART maneja comunicaciones digitales utilizando dicha señal como portadora, para medición de procesos y aparatos de control. Las aplicaciones incluyen interrogación de variables de proceso remotas, acceso cíclico a datos de proceso, ajuste de parámetros y diagnóstico.

Comunicación tipo Maestro-Esclavo: Durante operación normal, en cada esclavo (equipo de terreno) la comunicación es iniciada por un equipo de comunicación tipo maestro. Dos maestros pueden conectarse a cada lazo de comunicación HART. El maestro primario es generalmente un aparato de Control tipo DCS (sistema de control distribuido), controlador de lógica programable (PLC) o un Computador Personal (PC). El maestro secundario puede ser un terminal portátil de comunicación u otro PC. Los aparatos esclavos incluyen transmisores, actuadores de válvula y controladores que responden al comando del maestro primario o secundario.

Compatible con el cableado: que ya existe para los sistemas de señales de 4-20 mA. Por este motivo, cuando se migra de una instalación tradicional a otra de comunicación digital bajo el protocolo HART, la inversión inicial en nuevo cableado es mínima.

Comunicación punto-a-punto: utilizando señales de 4-20 mA y, al mismo tiempo, manteniendo comunicación digital con el mismo cable de interconexión.

Conexión de dispositivos de control en paralelo, lo que permite múltiples instrumentos en la red sin afectar la operación de la misma.

Capacidad no sólo de transmitir la variable de medición, sino de integrar en el mismo mensaje información sobre número de tag (Etiqueta), valores de los ajustes de escala (Rango), información genérica del dispositivo y parámetros para diagnosticar la operación del mismo.

Tiempo de respuesta digital de 300 a 500 milisegundos, lo que significa una velocidad apropiada para la mayoría de las aplicaciones de medición y control.

Arquitectura abierta disponible a cualquier proveedor y usuario que adopte la norma HART Permite soportar hasta 256 variablesy los transmisores pueden conectarse entre sí a través de un bus y conectarse con 15 aparatos (PLC, PCs, etc.).

Especificaciones técnicas de HART.

Longitud y capacitancia del cable

Cableado de dispositivos HART En general, la práctica de instalación para dispositivos HART cableados es la misma que para la instrumentación convencional de 4 a 20 mA. Las directrices para una instalación cableada HART incluyen:

Uso de par trenzado blindado de cableado con el tamaño del conductor adecuado

Puesta a tierra en un solo punto Garantizar una fuente de alimentación de especificación apropiada Mantenerse por debajo de la longitud de cable máxima permitida que depende de la

capacitancia del cable y el número de dispositivos de red.

Conexión de cableado típica con un dispositivo de campo HART, una PC con una aplicación basada en PC y una terminal portátil. También se muestra una interfaz o módem HART requerido - ya sea versión RS232 o USB

Consideraciones de cableadoSi es posible, use cable de par trenzado blindado individualmente, ya sea en par único o variedades multi-pares. Los cables sin blindaje se pueden utilizar para distancias cortas, siempre que el ruido ambiental y la diafonía no tengan repercusiones negativas en la comunicación. El calibre mínimo del conductor es 0,51 mm de diámetro (# 24 AWG) para tendidos de cable menores a 1.500 metros (5.000 pies) y diámetro de 0,81mm (# 20 AWG) para distancias más largas.

Puesta a tierraPara evitar la interferencia externa, conecte a tierra el sistema correctamente. En particular, el circuito de la señal debe estar conectado a tierra, en todo caso, en un solo punto. El blindaje del cable debe estar conectado a tierra, una vez más en un solo punto. No se debe conectar a los gabinetes de instrumentos o cajas de conexiones a menos que estén aislados de tierra. El punto único para puesta a tierra usualmente estará cerca de la unidad central - por ejemplo, en el sistema de control.

Voltaje de la fuente de alimentaciónAlimentación para un circuito de instrumentos bifilares es típicamente de 24 VCC. Como siempre, la tensión debe ser suficiente para proporcionar el voltaje necesario para despegue del dispositivo de campo. Tener en cuenta las caídas de tensión en la resistencia del cable y la carga, así como de cualquier seguridad intrínseca pasiva, o barrera IS presente. Los dispositivos inteligentes pueden requerir hasta 22 mA para indicar una condición de alarma. Utilice este valor para calcular la peor caída de tensión del circuito.

Ondulación y ruido de la fuente de alimentación La siguiente tabla muestra las especificaciones adicionales relacionadas con la comunicación de la fuente de alimentación para un circuito HART. Las especificaciones de ondulación y ruido evitan la interferencia directa con las señales HART. El límite de impedancia asegura que las señales HART vean a la fuente de alimentación como una trayectoria de baja impedancia. Esto evita el acoplamiento accidental y la diafonía entre circuitos HART múltiples alimentados desde una fuente común. Incluya la resistencia de los fusibles de salida, en su caso, al medir este valor.

Ondulación máxima (47 a 125 Hz) 0,2 V p-p

Ruido máximo (500 Hz a 10 kHz) 1,2 mV rmsMáxima impedancia en serie (500 Hz a 10 kHz) 10 Ω

Longitud del cableLa mayoría de las instalaciones están dentro del límite teórico de los 3.000 metros (10.000 pies) para la comunicación HART. Sin embargo, las características eléctricas del cable - sobre todo su capacitancia - y la cantidad de dispositivos conectados pueden afectar la longitud máxima permitida del cable. La siguiente tabla muestra el efecto de la capacitancia del cable y el número de dispositivos de red en la longitud del cable.Esto se basa en dispositivos HART típicos en entornos no IS, o seguridad intrínseca, lo que significa que no hay impedancia en serie miscelánea. La información detallada para determinar la longitud máxima del cable para cualquier configuración de red HART se encuentra en las Especificaciones del nivel físico HART.

Interfaces de comunicación.

TIPOS DE CONEXIONES HART

Los instrumentos HART pueden operar en una o dos conexiones diferentes de red: Comunicación Punto a punto (Point to Point) o Comunicación Multipunto.

Comunicación Punto a Punto. En el modo, Punto a Punto, la señal tradicional de 4-20 mA es usada para comunicar una variable de proceso mientras otras variables adicionales (parámetros de configuración y otras informaciones de dispositivos) son transmitidas digitalmente usando el protocolo HART (ver figura 7). La señal análoga de 4-20 mA no es afectada por la señal HART y puede ser usada para el monitoreo o control en la forma normal.

La señal de comunicación digital HART le da acceso a variables secundarias y a información adicional, que puede ser utilizada para propósitos de operación, y diagnóstico. La Conexión punto a punto se utiliza en casos que tienen solo un Maestro y un Esclavo, o un transmisor y un receptor. Entre los demás parámetros que se pueden incluir, se encuentra la posibilidad de transmitir hasta cuatro variables, lo cual representa una ventaja ante sistemas de transmisión de una única variable.

Comunicación Multipunto (Multidrop). Se hace posible conectar múltiples dispositivos de campo en paralelo a un simple par de cables, y comunicarse con cada uno por turnos para leer sus variables (u otros datos). Para hacer esto, cada dispositivo debe tener una dirección, a la cual responderá, y cada petición del sistema de control o maestro debe incluir dicha dirección.

Esta red multipunto puede reducir de modo significativo los costos de instalación de cableado de los equipos, y puede ser de mucha importancia en sistemas de monitoreo. Sin embargo, el tiempo entre mediciones de las variables de un mismo equipo aumentará. Ya que antes por un solo par de cables transitaba la señal de un Sensor, pero en el caso de multipunto de 2 a 15 señales diferentes deberán turnarse el medio.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

La flexibilidad del Protocolo HART® es evidente en el diagrama de control de la Figura 4. Esta aplicación innovadora usa la capacidad inherente al Protocolo HART® de transmitir tanto señales analógicas de 4-20mA como señales digitales de comunicación simultáneamente por el mismo par de hilos. En esta aplicación, el transmisor HART® tiene un algoritmo interno de control PID. El instrumento es configurado de modo que el lazo de corriente de 4-20mA sea proporcional a la salida del control PID, ejecutado en el instrumento (y no a la variable medida, como por ejemplo, la presión, como en la mayoría de las aplicaciones de instrumentos de campo). Una vez que el lazo de corriente es controlado por la salida de control del PID, este es utilizado para alimentar directamente al posicionador de la válvula de control.

El lazo de control es ejecutado completamente en campo, entre el transmisor (con PID) y la válvula. La acción de control es continua como en el sistema tradicional; la señal analógica de 4-20mA mueve a la válvula. A través de la comunicación digital HART el operador puede cambiar el set-point del lazo de control y leer la variable primaria o la salida para el posicionador de la válvula. Un ahorro substancial puede ser obtenido a través de esta innovadora arquitectura de control.

Algunos equipos HART incluyen el controlador PID en sus algoritmos, implementando una solución de control con buena relación costo-beneficio.

Red HART con redes de propietarios de Allen Braddley.

Estos provén una interfaz de comunicación entre los controladores (PLC) Allen Braddley o computadoras y dispositivos de campo HART (transmisores, transductores y actuadores).

Estos procesadores dan acceso a la información modulada con la señal de control de procesos analógica 4-20 mA. La información digital puede ser pasada a y desde el procesador usando el puerto remoto I/O (RIO) o un puerto RS-232C.

Mejor Solución

El Protocolo HART permite a los usuarios la mejor opción de solución para aprovechar los beneficios de la comunicación digital para la instrumentación inteligente. Actualmente ninguna otra tecnología de comunicación puede igualar la estructura de soporte o la gran variedad de instrumentos disponibles con la tecnología HART®. La tecnología permite el uso fácil de los productos compatibles con HART® que están disponibles en el mercado por la mayoría de los

fabricantes de instrumentación y que atienden prácticamente todas las mediciones de proceso o aplicaciones de control.

El surgimiento de fieldbus no desplazara la tecnología HART® en nuevas aplicaciones o en las existentes. El protocolo HART® proporciona a los usuarios gran parte de los mismos beneficios, al mismo tiempo mantiene la compatibilidad y la familiaridad con los sistemas existentes de 4-20 mA. El protocolo HART® proporciona los ahorros económicos de comunicación remota, una flexibilidad y la precisión de la comunicación de datos digital, el diagnóstico de los instrumentos de campo y el uso de poderosos instrumentos con múltiples variables, sin que haya la necesidad de reemplazar sistemas completos.

La conexión con las redes de las plantas actuales y futuras es asegurada por la capacidad de comunicación digital y a la gran base instalada (más de 5.000.000 de instalaciones y creciendo rápidamente). El soporte ofrecido por el protocolo HART Communication Foundation asegura que la tecnología seguirá evolucionando para satisfacer las necesidades de la instrumentación inteligente de hoy y mañana.

TABLA. Comparativa entre algunos buses y protocolos.

EMERSON y su DCS delta V

Emerson es hoy una compañía que factura 22.000 millones de dólares, en un conjunto diversificado de sectores, y emplea más de 140.000 empleados alrededor del mundo.

Siendo DeltaV la estrella de su oferta de sistemas de control.

¿Qué es DeltaV?

Es un Sistema de Control Distribuido, cuyas principales características son:

Su diseño está orientado a buses

Tiene como buses nativos: Foundation Fieldbus, AS-i bus, Profibus DP, HART y DeviceNet, además de sus entradas/salidas básicas

Soporta el estándar IEC 1804-3, o EDDL (Electronic Device Description Language), que permite que todos los parámetros de un dispositivo electrónico estén accesibles al sistema

Puede configurarse para unas pocas entradas/salidas hasta más de 30.000

Conectividad con otros sistemas utilizando OPC y XML

Técnicas avanzadas de control, como son: control difuso (fuzzy), control con redes neuronales, control predictivo, sintonización de lazos PID o controles Fuzzy, detección de mal funcionamiento de lazos, control estadístico multivariable, optimizador de tiempo real, monitoreo de funcionamiento de equipos, simulación, y otros.

Recordemos que un sistema de control distribuido consta de:

Controlador, equipo electrónico, cercano al proceso

HMI. Interfase al operador

Para algunos aspectos no es relevante en dónde reside una funcionalidad determinada, ya que desde el punto de vista de configuración se hace sobre el sistema como un todo. Pero sí puede llegar a ser importante en términos de confiabilidad o disponibilidad.

El controlador es típicamente un equipo industrial, de alta disponibilidad. En la figura se muestra un procesador con redundancia y entradas/salidas básicas.

El HMI en cambio corre sobre un computador normal, sobre Windows. Con un grado de disponibilidad mucho menor.La arquitecturase forma con un chasis de controlador de dos slots donde se ubican el controlador y la fuente. Un segundo chasis puede proveer la redundancia un segundo controlador con su fuente.

A este chasis, se conecta un chasis de E/S que es de 8 slots. Y puede repetirse hasta agregar 8 chasis, para un total de 64 módulos.

En estos chasis se pueden ubicar tarjetas de E/S básicas, o tarjetas de comunicaciones de alguno de los buses soportados.

Una variación interesante es el sistema de montaje vertical, que permite ubicar hasta dos controladores con sus fuentes, y 8 módulos de E/S o comunicaciones, según se muestra en la siguiente figura.

En relación a los módulos específicos soportados, estos son:

Entradas/salidas básicas: 6 tipos de E/S análogas y 10 tipos de E/S discretas. Para varios de ellos, pueden utilizarse terminales con fusibles

Foundation Fieldbus. Módulo con dos canales H1, 16 nodos por canal

DeviceNet. Módulo con una puerta; puede soportar hasta 61 nodos

HART. Algunos de los módulos análogos, pueden soportar hasta 16 conexiones por canal

Profibus DP. Un canal RS-485, soporta hasta 64 esclavos, a velocidades hast 1.5 Mbps

Módulo Modbus RTU. Dos puertas seriales RS-232, RS-422 o RS-485, con hasta 16 nodos por puerta. Velocidades hasta 115 Kbauds

y varios otros más específicos

Conclusiones.

HART es uno de varios protocolos de comunicación diferentes usados en la automatización de las plantas. Cada uno tiene lo suyo, pero HART es la mejor solución general para obtener información con valor agregado de diagnósticos y de dispositivos en forma digital mientras se mantiene la compatibilidad con las arquitecturas de automatización de 4-20 mA disponibles.

Fuera de su avance como un estándar de-facto, este protocolo todavía tiene un trecho por recorrer antes del advenimiento de un mercado abierto. En efecto todos los dispositivos interconectables son totalmente compatibles, intercambiables y operables con un solo terminal programados. La razón para esto es su capa de aplicación. El set de comandos de HART tiene tres clases de comandos:

• Comandos universales que son entendidos por todos los dispositivos de campo.

• Comandos de práctica común que son reconocidos por la mayoría aunque no necesariamente todos ios dispositivos de campo.

• Comandos específicos que son únicos para cada dispositivo.

Para que opere un transmisor, todos los comandos requeridos para una aplicación particular, deben ser implementados en la computadora principal y en el programador universal de campo. Para satisfacer este requerimiento, es necesario que se entregue una descripción en diskette del dispositivo, juntamente con el transmisor, para ser leída y mantenida por la computadora. El terminal portátil puede entonces ser alimentado por la información requerida por la aplicación que esté corriendo. Esta descripción es conocida como DDs (Device Descriptions) y cada fabricante tiene una descripción para cada instrumento y no puede ser compartida para otro instrumento de diferente marca. Un muy buen HandHeld hart es el 475 FIELD COMMUNICATOR de Emerson.

En teoría esto parece una buena solución, pero en la práctica, aún en dispositivos simples la mayoría de los comandos usados son específicos por dispositivo. Esto significa que ellos no pueden ser apropiadamente operados con las descripciones de dispositivo de otro transmisor. Por lo tanto, para aplicaciones en sistemas conformados por dispositivos de diversos fabricantes, se debe tender a la estandarización con una interfaz común de usuario para la configuración e interrogación de transmisores. Por esto, HART no se considera como una solución a las necesidades de sistemas abiertos y tan sólo un protocolo de transición hacia ese objetivo.

Aplicaciones de Gestión de Inventarios

Las medidas exactas para la gestión del inventario es esencial en todas las industrias . El protocolo de comunicación HART permite a las empresas para que la gestión de inventarios que es tan eficiente , precisa, y el costo más bajo posible.

Red multipunto HART para el nivel del tanque y la gestión de inventarios

Nivel del tanque y la gestión del inventario es una aplicación ideal para una red multipunto HART. La red digital de velocidad de actualización HART de dos PVs por segundo es suficiente para muchas aplicaciones de nivel de tanque. Una red multipunto proporciona significativos ahorros de la instalación mediante la reducción de la cantidad de los cables desde el campo a la sala de

control, así como el número de canales de E / S requeridos . Además , muchas aplicaciones de supervisión de procesos de bajo costo están disponibles en el mercado para reducir los costos adicionales .

Una empresa utiliza un multiplexor HART para escanear digitalmente los equipos de campo de nivel de medición e información de estado . La información se envía a la aplicación host utilizando el estándar de comunicación Modbus. Instrumentos Multivariable reducen aún más los costos proporcionando múltiples mediciones del proceso , tales como el nivel y la temperatura , lo que reduce el cableado y el número de penetraciones de proceso requeridas .

Multipunto para el Monitoreo de Tanques

En una aplicación de tanques , 84 tanques de decantación y lechos filtrantes en un sitio muy grande (más de 300 000 m2) se controlan mediante redes multipunto HART y HART RTU . La arquitectura HART requiere sólo ocho cables para 84 tanques , con 10 a 11 dispositivos por corrida . Más de 70 carreras individuales de más de 500 m cada uno, fueron eliminados. Ahorro de cable se estimaron en más de $ 40,000 en comparación con una instalación convencional . RTU I / O también se redujo , lo que resultó en hardware adicional y ahorro de instalación. El costo de instalación total fue de aproximadamente 50 % de una instalación tradicional de 4-20 mA .

Almacenamiento de Petróleo subterráneo con HART Communication para la Precisión

Cavernas de sal subterráneas se utilizan con frecuencia para el almacenamiento de petróleo crudo. Uno de los clientes de aceite bombas de barcazas en las cavernas de almacenamiento. Un medidor de flujo ultrasónico registra el flujo total . Para sacar el petróleo de las cavernas , una solución de salmuera se bombea a la caverna a través de un medidor de flujo magnético. Salmuera y petróleo crudo que fluye en ambas direcciones, se miden y se informó a los DCS utilizando el protocolo de comunicación HART para la exactitud. La tasa de flujo de pistas DCS y cantidad total de mantener una cierta presión en el interior de las cavernas .

Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de actualización

Una planta de tratamiento de aguas residuales de Texas sustituye medidores independientes y tabla de estaciones remotas grabadora que requerían visitas diarias de totalización con un sistema HART. Caudalímetros magnéticos HART basados en HART multipunto se RTUs para crear una red SCADA rentable. El uso de la tecnología HART reduce los costes del sistema y

el cable , la precisión de la medición mejorada y procedimientos de calibración analógicas que requieren mucho tiempo eliminado .

Se utilizó un sistema de 11 HART redes multipunto para conectar 45 medidores de flujo magnéticos de diferentes áreas de la planta . Cada medidor de flujo comunicado velocidad de flujo y un valor totalizado través de la red HART . Redes multipunto eliminan la necesidad de hardware adicional y programación PLC mientras que proporciona un valor totalizado más precisa. Problemas de integración de sistemas complejos y costosos también se evitaron - por ejemplo, no había necesidad para la sincronización de los totales entre el host y los PLC de campo.

Redes Multidrop reduce aún más el coste de la instalación reduciendo el número requerido de tarjetas de entrada de la tradicional 45 ( para las instalaciones de punto - a-punto ) a 11 . El mantenimiento se simplifica, ya que el acceso a los datos de diagnóstico y estado del instrumento.