- Visión general
- Funcionamiento del protocolo de comunicación HART
- Modos de configuración de red
- 1. Modo de red punto a punto
- 2. Modo de red multipunto
- Modos de comunicación
- Beneficios
- WirelessHART
Los beneficios de hacer que dos máquinas (o componentes dentro de ellas) se comuniquen entre sí han sido obvias para los expertos en automatización y control industrial, mucho antes de que Internet de las cosas (IoT) se generalizara. Los valores en un sensor de temperatura en el corazón de un cigüeñal que envía mediciones para controlar el relé de accionamiento del motor, etc., estaban claros, y uno de los protocolos de comunicación utilizados para lograrlo fue el Protocolo HART.
Con más de 30 millones de dispositivos basados en él, instalados en todo el mundo, el protocolo HART se considera el protocolo más popular en la automatización industrial y el artículo de hoy proporcionará una descripción general de lo que lo hace tan especial. Examinaremos sus características, aplicaciones y versiones mejoradas como WirelessHART.
Visión general
El protocolo Highway Addressable Remote Transducer (HART) es uno de los protocolos de comunicación abiertos más populares utilizados en la automatización industrial para enviar y recibir información digital a través de cableado analógico entre dispositivos inteligentes y sistemas de control. Este protocolo es un avance del Protocolo de comunicación en serie como RS485 y un evento que también se usa popularmente en las industrias.
Fue desarrollado por Emerson en la década de 1980 como un protocolo de comunicación patentado para abordar los defectos en el protocolo de comunicación de 4-20 mA existente , que solo podía transmitir un parámetro o valor medido. Con HART, los esfuerzos de automatización industrial podrían lograr comunicaciones bidireccionales que solucionen los inconvenientes del 4-20 mA, pero también conservar su infraestructura ya que el protocolo HART puede enviar señales digitales superponiéndolas a las señales analógicas sin distorsión o interferencia.
El efecto de lo anterior es la creación de dos canales de comunicación simultáneos: la señal analógica 4-20mA y una señal digital. Esta combinación es la razón por la que el protocolo se conoce como protocolo híbrido. Las aplicaciones típicas, como los dispositivos de instrumentación, podrían usar la señal de 4-20 mA para enviar el valor medido primario y usar la señal digital superpuesta para enviar información.
El soporte para dispositivos basados en 4-20 mA significaba que las empresas podían continuar usando su hardware heredado. Esto, junto con el protocolo que se convirtió en "Abierto", elevó los niveles de adopción del protocolo, hasta que se convirtió en el estándar de facto en la industria.
Funcionamiento del protocolo de comunicación HART
La comunicación HART ocurre entre dos dispositivos habilitados para HART, generalmente un dispositivo de campo inteligente y un sistema de control o monitoreo. Como se describió anteriormente, los dispositivos basados en el protocolo transmiten señales analógicas usando el enfoque existente de 4-20 mA y señales digitales superponiendo la señal (como una señal de corriente alterna) en la señal analógica de 4-20 mA, usando la codificación por cambio de frecuencia Bell 202 (FSK) estándar.
El procedimiento FSK implica superponer las ondas sinusoidales de dos frecuencias, típicamente 1200Hz y 2200Hz, que representan los bits (1 y 0 respectivamente) de los datos que se envían. El uso de FSK asegura que el valor promedio de las dos frecuencias sea siempre cero, asegurando que la señal analógica no se vea afectada por la señal digital.
Modos de configuración de red
Para satisfacer las necesidades de varias aplicaciones, los dispositivos bajo el protocolo HART se pueden configurar para operar en dos modos principales;
- Modo punto a punto
- Modo multipunto
1. Modo de red punto a punto
En el modo punto a punto, las señales digitales se superponen en la corriente de bucle de 4–20 mA de tal manera que tanto la corriente de 4–20 mA como la señal digital se pueden utilizar para transmitir mensajes entre el maestro y el esclavo. Esto representa la aplicación típica del protocolo, con datos y variables secundarias, que se pueden utilizar con fines de monitoreo, mantenimiento y diagnóstico, intercambiando señales digitales mientras que las señales de control se envían por la mitad analógica del protocolo. En la imagen siguiente se proporciona una ilustración de la configuración de la red punto a punto.
2. Modo de red multipunto
El modo de configuración de red Multi-Drop permite conectar varios dispositivos en el mismo par de cables de manera similar a los protocolos basados en direcciones como i2c. La comunicación en modo multipunto es completamente digital, ya que la comunicación a través de la corriente de bucle analógico está desactivada, ya que la corriente a través de cada uno de los dispositivos se fija en un valor mínimo suficiente para el funcionamiento del dispositivo (normalmente 4 mA). Las configuraciones de red multipunto se utilizan normalmente en aplicaciones de control de supervisión que están muy espaciadas, como en parques de tanques y tuberías. La configuración de la red Multi-Drop se ilustra en la siguiente imagen.
Modos de comunicación
Generalmente, para las comunicaciones bajo el protocolo HART, un dispositivo en la red, generalmente un sistema de control distribuido o PLC, debe ser designado como maestro mientras que otros, generalmente dispositivos de campo como sensores o actuadores, se designan como esclavos.
Sin embargo, la forma en que los esclavos se comunican con el maestro depende del modo de comunicación en el que está configurada la red. Se puede configurar una red de dispositivos compatibles con el protocolo HART para comunicarse en dos modos, a saber;
- Modo de comunicación de solicitud-respuesta
- Modo de ráfaga
1. Modo de comunicación de solicitud-respuesta
En el modo de comunicación de solicitud-respuesta, los dispositivos esclavos solo transmiten información cuando el dispositivo maestro emite una solicitud. Si bien este modo tiene sus desventajas, especialmente la velocidad de comunicación reducida (2-3 actualizaciones de datos por segundo), ayuda a mantener el protocolo simple, efectivo y fácil de implementar.
2. Modo ráfaga
Para dejar espacio para la variación en los requisitos de la aplicación, el protocolo tiene otro modo de comunicación llamado modo "Burst". En este modo, los dispositivos esclavos pueden enviar una sola pieza de información, de forma continua, sin necesidad de solicitudes repetidas del maestro. Este modo ofrece una velocidad de comunicación más rápida con hasta 3-4 actualizaciones por segundo, y generalmente se usa en escenarios donde se requiere más de un dispositivo HART para escuchar la comunicación del bucle HART.
Para permitir el monitoreo externo, deseado para la mayoría de las aplicaciones industriales, ambos modos de comunicación admiten hasta dos maestros definidos como primario y secundario. El maestro primario, como se ilustra en la imagen de arriba, suele ser el sistema de control / monitoreo principal, mientras que el maestro secundario suele ser un dispositivo como terminales portátiles, también conocido como Comunicador HART, que solo está conectado al bucle HART durante un período corto.
Beneficios
Algunas de las ventajas del protocolo HART sobre otros de su clase incluyen;
1. Comunicación bidireccional
El uso de una señal analógica de 4-20 mA, por ejemplo, permite el flujo de información en una sola dirección (transmisor al receptor). Con la comunicación HART, los datos pueden viajar en ambas direcciones.
2. Nuevos tipos de información
Los canales de comunicación tradicionales como el 4-20mA permiten la comunicación de una sola variable de proceso sin espacio para la validación, pero con HART, puede obtener hasta 40 información adicional junto con la variable de proceso.
Algunos ejemplos de información adicional que se podría obtener de los dispositivos basados en HART incluyen;
- Estado del dispositivo y alertas de diagnóstico
- Variables y unidades de proceso
- Corriente de bucle y rango de%
- Parámetros de configuración básicos
- Etiqueta del fabricante y del dispositivo
Usando una combinación de esta información adicional, los dispositivos HART pueden autoinformar problemas con su configuración u operaciones al dispositivo maestro / host. Esto ayuda a reducir la necesidad de controles de rutina y podría resultar muy útil para el mantenimiento predictivo.
3. Dispositivos multivariables
En modo digital, un solo par de cables puede manejar múltiples variables. Por ejemplo, un transmisor podría manejar entradas de múltiples sensores
4. Independencia del proveedor
Todo lo relacionado con HART fue entregado por Emerson a la Fundación de Comunicaciones HART, como tal, los estándares son abiertos y no específicos de un proveedor. Esto significa que no hay peligro de quedar atrapado en unos "estándares" regionales o específicos de un proveedor limitado.
5. Amplitud de oferta
Actualmente, HART se considera el protocolo más soportado para la industria de procesos en todo el mundo. Es tan popular que la probabilidad de que un dispositivo industrial sea compatible con HART es de casi 1.
6. Interoperabilidad
Los dispositivos y sistemas host compatibles con HART pueden funcionar juntos independientemente del proveedor, los modelos y otros problemas de compatibilidad / interoperabilidad que afectan a las redes. Incluso los dispositivos host que no fueron diseñados para manejar la información digital de un dispositivo HART aún tendrán cierto nivel de interoperabilidad con las comunicaciones a través de la señal analógica de 4-20 mA.
WirelessHART
El protocolo HART ha evolucionado a lo largo de los años con avances en tecnología y una mayor sofisticación de los casos de uso. Uno de los productos recientes de su evolución es una nueva tecnología llamada WirelessHART, que ofrece posibilidades completamente nuevas con la transmisión inalámbrica de información HART.
Es el primer protocolo de comunicación inalámbrica estandarizado (IEC62591) en el campo de la automatización de procesos. A diferencia del protocolo HART normal, en esta etapa solo admite la comunicación a través de la señal digital, ya que no se proporciona la comunicación analógica ya que no se utiliza ningún cable de conexión.
Actualmente, existen dos soluciones WirelessHART diferentes que incluyen;
- Un adaptador WirelessHART para mejorar los dispositivos HART existentes
- Un transmisor WirelessHART autoalimentado.
WirelessHART se puede utilizar en instrumentos cableados existentes para recopilar la gran cantidad de información que anteriormente estaba varada en el instrumento, y también proporciona una forma rentable, simple y confiable de implementar nuevos puntos de medición y control sin los costos de cableado.