REDES HART
Protocolos de Comunicaci贸n Hart
INDICE
INTRODUCCION Desde la era de la revolución industrial, las empresas han ido automatizando todos los procesos de producción para así obtener productos de mejor calidad, en menor tiempo y por supuesto para tratar de abaratar los costos de producción y generar mayor ganancia. Esto ha traído como consecuencia la creación de muchas tecnologías que permitan ir mejorando la automatización de procesos productivos dentro de la misma. Con el pasar del tiempo se vio la necesidad de crear de forma inmediata tecnologías que hicieran posible la comunicación directa entre las maquinarias o procesos de operación y la persona encarga de la supervisión y control de dichos procesos. 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
Un importante número de empresas en nuestro país presentan la existencia de islas automatizadas (células de trabajo sin comunicación entre sí), siendo en estos casos las redes y los protocolos de comunicación Industrial indispensables para realizar un enlace entre las distintas etapas que conforman el proceso.
Muchas veces escuchamos en la Industria la palabra protocolo de comunicación sin tener claro de que estamos hablando, con el objeto de familiarizar a los lectores, expondremos sus principales características y fundamentos mas utilizados. Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red. Estos han tenido un proceso de evolución gradual a medida que la tecnología electrónica ha avanzado y muy en especial en lo que se refiere a los microprocesadores. En esta oportunidad nos referimos a los protocolos de comunicación mas usados en la industria. Los buces de datos que permiten la integración de equipos para la medición y control de variables de procesos, reciben la denominación genérica de buces de campo.
Un bus de campo es un sistema de transmisión de datos que simplifica enormemente la instalación y operación de maquinas y equipamientos industriales utilizados en los procesos de producción. El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4-20mA o 0 10 V DC según corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLC`s, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisión. Los buces de campo con mayor uso en el área de control podemos mencionar: HART PROFIBUS FIELDBUS FONDATION
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN HART
Hart (Transductor remoto direccionable de alta velocidad) es un protocolo de comunicación diseñado para aplicaciones de medición y control de procesos industriales.
cional en instrumentos de campo inteligentes sin interferir en la señal analógica de 4-20mA. Tanto la señal analógica de 420mA como la señal digital de comunicación HART® , pueden ser transmitidos simultáneamente en el mismo par de hilos. La variable primaria es la información de la señal de control que puede ser transmitida por la señal de 4- 20mA, mientras que las mediciones adicionales, parámetros de proceso, configuración del instrumento, calibración y las informaciones de diagnóstico están disponibles en el mismo par de hilos y al mismo tiempo. A diferencia de otras tecnologías de comunicación digitales “abiertas” para instrumentación de procesos, el protocolo HART® es compatible con los sistemas El Protocolo HART® permite la existentes. comunicación digital bidirecEl protocolo de comunicación de campo HART® extiende el estándar 4-20mA al permitir también la medición del proceso de forma más inteligente que la instrumentación de control analógica, proporcionando un salto en la evolución del control de procesos. El protocolo HART® permite una significativa innovación en la instrumentación de procesos. Las características de los instrumentos pueden ser vistas vía comunicación digital que son reflejadas en el llamado protocolo, HART®, que significa “Highway Addressable Remote Transducer – Transductor Remoto Direccionable de Alta Velocidad”.
TECNOLOGIA DE LA COMUNICACIÓN HART
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.
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 continuarán en el futuro.
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.
CARACTERISTICAS DE LA COMUNICION HART 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.
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 comunicaci贸n con el maestro primario. Un maestro primario puede ser t铆picamente un DCS (Sistema Distribuido de Control), un PLC, o un sistema central de monitorizaci贸n o control basado en PC, mientras un maestro secundario puede ser un comunicador port谩til. Como se muesta en la figura 4
FUNCIONAMIENTO DE LOS PROTOCOLOS HART
La comunicación HART está (Device Specific basada en comandos. Hay Commands). tres tipos de comandos que van a proporcionar acceso Los Comandos Universales de lectura-escritura a la aseguran la información disponible en interoperabilidad entre los los instrumentos de campo productos de distintos compatibles con HART. Los fabricantes, y proporcionan comandos pueden ser el acceso a la información Comandos Universales útil en la operación habitual (Universal Commands), en planta. Todos los Comandos de Practica esclavos compatibles HART Común (Common Practice deben responder a todos Commands) y Comandos los Comandos Universales Específicos del Dispositivo
Comunicación tipo 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 aparato- son transmitidas digitalmente usando el protocolo HART (Fig. 2). 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 otras informaciones, que pueden se usadas para propósitos de operación, mantención y diagnóstico.
FIGURA 2: MODO DE OPERACIÓN PUNTO A PUNTO
REDES HART
Los aparatos HART pueden operar en una o dos configuraciones diferentes de RED: Punto a punto o Multidrop (multipunto).
Comunicación tipo Multipunto (Multidrop): El modo Multipunto requiere solamente un par de alambres y si es aplicable, el lazo también puede tener barreras de seguridad y fuentes de poder auxiliares para hasta 15 aparatos de terreno (Fig. 3). Todos los valores de proceso son transmitidos digitalmen-te; en el modo Multipunto, 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).
FIGURA 3: MODO DE OPERACIÓN MULTIPUNTO
Los beneficios de la comunicación HART
Mejora las operaciones en planta.
Otorga mayor flexibilidad operacional. Protege la inversión hecha instrumentación de la planta.
de
en
la
Entrega una alternativa económica comunicación digital.
Implica un ahorro considerable en eléctricos en las instalaciones Multipunto.
materiales
BENEFICIOS
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.
EJEMPLO DE LA APLICACIÓN INNOVADORA
La flexibilidad del Protocolo HART® es evidente en el diagrama de control de funcionamiento (fig 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 420mA 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.
Con la automatización de los procesos productivos industriales, a lo largo del tiempo se vio la necesidad de crear una forma de comunicación entre la planta o los procesos y las personas encargadas de la supervisión. Esto se da debido a que en las industrias se venían creando lo que llaman isla automatizas, que es células de trabajos sin comunicación entre si, trayendo como consecuencia que no se podían crear enlaces que relacionaran un proceso con otro y no se podía contar con una información precisa y de tiempo real en cada uno de los procesos. Es aquí cuando se da la creación de protocolos de comunicación industrial, los cuales permiten que se estableciera una comunicación adecuada entre las plantas y sus procesos y los responsables de los mismos. Gracias a la integración de estas células de trabajos se crearon estructuras de redes industriales, pero las más comunes actualmente con los buses de campo, que permite la integración de equipos para la medición y control de variables de procesos. Una de las características de los buses de campo es que simplifica la enorme instalación para la conexión de los mismos.
CONCLUSIONES Gracias a los avances de la automatización dentro de la industria y la creciente necesidad por satisfacer requerimientos técnicos, se da la creación de protocolos de comunicación, con el fin de poder enviar y recibir información de actividades realizadas entre los procesos y las personas encargadas de supervisar los mismo. Es por esto que se da la creación de diversos tipos de protocolos, dentro de los que encontramos los protocolos de comunicación HART, que permite una comunicación bidireccional entre los sistemas de control y la planta; ayudando así a poder llevar una comunicación de forma inmediata y poder hacer ajustes y supervisión de forma automatiza. Es importante destacar que esta comunicación se puede dar con una o dos configuraciones deferentes de redes: punto a punto o multipunto; esto va a depender de cómo queramos la comunicación y de cuantos instrumentos de campos se tengan dentro de la medición y control de un proceso industrial. Ya el primero de ellos trabaja con un instrumento de campo de emite señales con información sencilla y agregada y la segunda puede trabajar hasta con quince instrumentos de campos.
REFERENCIAS
Emerson Process Management (2002). Introduction a Hart. Direction URL: http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/ PM%20Central%20Web%20Documents/EngSchBuses_201_es.pdf Protocolo Hart. (S/F). [Documento en Línea]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/ Protocolo_HART Kurt Meichsner, (2004). Automatización Protocolo Hart. Dirección URL: http://www.emb.cl/ electroindustria/articulo.mvc?xid=95 Kurt Meichsner, (2004). Protocolo de Comunicación Industrial. Dirección URL: http://www.emb.cl/ electroindustria/articulo.mvc?xid=562&edi=7 Generalidades sobre protocolos de comunicación industrial. (S/F). Disponible en: http:// www.electromatica.cl/protocolos.html