Protocolo HART: arquitectura, funcionamiento y sus aplicaciones

en la actualidad en automatización industrial , se utilizan diferentes tipos de dispositivos de campo inteligentes, pero monitorear cada dispositivo es muy difícil dentro de la industria por parte de las autoridades o los ingenieros de campo. Por lo general, este tipo de monitoreo se logra con dispositivos inteligentes, que permiten la transferencia de datos entre diferentes dispositivos conectados dentro y fuera de la industria al sistema de monitoreo principal. Entonces, el protocolo HART se introdujo en 1980 y se basa en los estándares Bell 202. Este protocolo se ha convertido en un estándar de la industria, por lo que se utiliza en la automatización industrial. Por lo tanto, este artículo analiza una descripción general de la Protocolo HART – trabajar con aplicaciones.

¿Qué es el protocolo HART?

El término HART en el protocolo HART significa 'Transductor remoto direccionable de autopista', que es un protocolo estándar abierto utilizado en todo el mundo para transmitir y recibir datos digitales con cableado analógico entre dispositivos inteligentes y sistemas de control . Este protocolo es muy popular, por lo que más de 30 millones de dispositivos en todo el mundo funcionan con el protocolo HART. Este protocolo se utiliza para establecer comunicación entre sistemas anfitriones y dispositivos de campo inteligentes en industrias.

El protocolo HART ganó más popularidad debido a su capacidad para admitir el antiguo protocolo analógico basado en 4-20 mA, al tiempo que incluye las principales ventajas de la instrumentación inteligente digital.
Este protocolo describe la tecnología de conexión física y también los comandos utilizados por diferentes aplicaciones. Los comandos Hart son de tres tipos, universales, de práctica común y específicos del dispositivo.
Los comandos de tipo universal se implementan a través de todos los dispositivos HART. Estos comandos son utilizados principalmente por un controlador para identificar un dispositivo de campo, así como para leer datos de proceso.

Los comandos de tipo práctica común se utilizan para describir diferentes funciones que normalmente se aplican solo a dispositivos de campo. Estos dispositivos incluyen comandos para cambiar el rango, elegir unidades de ingeniería y ejecutar autopruebas.

Los comandos de tipo específico del dispositivo no son los mismos para todos los dispositivos. Estos comandos ejecutan funciones únicas de configuración y modificación. Por lo tanto, es muy importante tener en cuenta que cuando los dispositivos de varios fabricantes implementan una funcionalidad similar externamente. Por ejemplo, la medición de la presión diferencial puede incluir un hardware completamente diferente y también diferentes conjuntos de comandos específicos del dispositivo.

Arquitectura del protocolo HART

El protocolo HART opera en dos configuraciones de red, como punto a punto y multipunto, que se analizan a continuación.

Configuración de red punto a punto

En la configuración de red punto a punto, para comunicar una única variable de proceso, se utiliza la señal fija de 4–20 mA, mientras que las variables de proceso adicionales y los parámetros de diseño se transmiten digitalmente con el protocolo HART. Por lo tanto, la señal analógica de 4–20 mA no cambia con la señal HART y se puede utilizar de manera normal. La señal digital de comunicación HART proporciona el derecho de entrada a variables secundarias y otros datos pueden utilizarse con fines de mantenimiento, puesta en marcha, operaciones y diagnóstico.

Configuración de red multipunto

Esta configuración de red permite conectar varios dispositivos con un solo par de cables. La comunicación dentro de esta configuración es completamente digital ya que la comunicación a través de la corriente de bucle analógico está deshabilitada ya que la corriente a través de cada dispositivo se fija en un valor mínimo suficiente para la operación del dispositivo normalmente 4mA.

¿Cómo funciona la comunicación HART?

El protocolo de comunicación HART utiliza el estándar Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) para superponer señales digitales que se representan con dos frecuencias diferentes, como 1200 Hz y 2200 Hz. Aquí, la frecuencia de 1200 Hz representa el bit 1, mientras que la frecuencia de 2200 Hz representa el bit 0 correspondiente.

Cuando las ondas sinusoidales con estas frecuencias se colocan sobre los cables de señal analógica de CC, se produce la transferencia de datos. Por lo tanto, durante esta transferencia de datos, la señal de 4-20 mA no se ve afectada debido al valor estándar de una señal de modulación por desplazamiento de frecuencia equivalente a cero. Este protocolo admite a la vez dos canales de comunicación como señal analógica de 4-20 mA y señales digitales.

La señal analógica comunica el valor medido principal con el bucle de corriente de 4-20 mA, mientras que los datos adicionales del dispositivo se comunican a través de una señal digital que se superpone a la señal analógica.
La señal digital incluye la información del dispositivo, como la condición del dispositivo, diagnósticos, valores calculados, etc. De manera conjunta, los dos canales de comunicación ofrecen una solución de comunicación muy robusta y de bajo costo que es muy simple de utilizar y configurar. Este protocolo se denomina con frecuencia protocolo híbrido porque combina comunicación tanto analógica como digital.

La tecnología HART se diferencia como un protocolo maestro/esclavo porque el dispositivo esclavo solo funciona una vez que se le conecta un dispositivo maestro. Aquí, el dispositivo esclavo es un dispositivo inteligente y el dispositivo maestro es una computadora.

Modos del protocolo HART

Generalmente, para la comunicación dentro del protocolo HART, el dispositivo utilizado dentro de la red es un PLC o un sistema de control distribuido que se elige como maestro, mientras que otros dispositivos de campo se consideran esclavos, como sensores o actuadores. Pero aquí la comunicación entre maestro y esclavo depende principalmente del modo de comunicación al que está dispuesto el sistema. La red del protocolo HART se comunica en dos modos, como el modo maestro/esclavo y el modo ráfaga.

Modo Maestro/Esclavo

Este modo también se conoce como el modo de solicitud-respuesta. En este tipo de modo, los dispositivos esclavos simplemente transmiten datos una vez que se emite una solicitud del dispositivo maestro. Para cada lazo HART, se pueden conectar dos maestros. Entonces, el maestro principal es normalmente un DCS (sistema de control distribuido), una PC (computadora personal) o un PLC (controlador lógico programable), mientras que el maestro secundario es otra PC o una terminal portátil. Los dispositivos esclavos son actuadores, controladores y transmisores que reaccionan a los comandos de los dispositivos maestros.

Modo de ráfaga

Algunos dispositivos habilitados para el protocolo HART simplemente admiten este modo de comunicación. Este modo permite una comunicación más rápida, como tres o cuatro actualizaciones de datos por segundo. El dispositivo maestro en este modo instruye al dispositivo esclavo para que transmita continuamente un mensaje de respuesta HART típico. El maestro recibe el mensaje a gran velocidad hasta que ordena al esclavo que deje de reventar. Este modo es aplicable cuando el dispositivo HART anterior es necesario para comunicarse desde el bucle HART.

Protocolo HART frente a Modbus

La diferencia entre el protocolo HART y Modbus incluye lo siguiente.

Ventajas

los ventajas del protocolo HART Incluya lo siguiente.

• Los dispositivos que están habilitados por el protocolo HART simplemente permiten a los usuarios hacer que el dispositivo utilice los mejores datos para optimizar sus capacidades operativas.
• Disminuye los tiempos de inactividad debido a la falla del equipo al reconocer los problemas potenciales antes de que sucedan.
• Reduce los costos de inventario y mantenimiento de los dispositivos.
• Disminuye los tiempos de espera para el reconocimiento y resolución de problemas.
• Mejora los niveles de integridad de seguridad mediante el uso de diagnósticos avanzados.
• Los beneficios de elegir el protocolo HART incluyen principalmente; capacidad digital, capacidad analógica, disponibilidad e interoperabilidad.
• Este protocolo también se puede utilizar con diferentes dispositivos y sensores.
• Los dispositivos basados ​​en el protocolo HART son ampliamente aceptados en las industrias.
• Este protocolo aumenta la disponibilidad del sistema, la regularidad del progreso, etc.

Desventajas

los desventajas del protocolo HART Incluya lo siguiente.

• La señal digital dentro de la transmisión HART es bastante lenta.
• Para un arreglo multipunto, la señal analógica no es accesible y el no. de dispositivos que pueden dividir la línea de transmisión está restringida.
• Puede monitorear una sola variable de proceso en cualquier momento.
• Este tipo de protocolo es algo lento en comparación con otros sistemas Fieldbus como Profibus y Foundation Fieldbus. Por lo tanto, este tiempo de respuesta lento provoca algunas dificultades en algunas aplicaciones industriales.
• Generalmente, la velocidad del protocolo HART es suficiente para sistemas de monitoreo simples donde las variables del proceso no varían rápidamente.

Aplicaciones

los aplicaciones del protocolo HART Incluya lo siguiente.

• El protocolo HART se utiliza en todo el mundo para transmitir y recibir datos digitales con cableado analógico entre dispositivos inteligentes y sistemas de control.
• Este es un protocolo muy popular utilizado en la automatización industrial.
• Este protocolo es principalmente para analizar dispositivos inteligentes.
• Esto se utiliza ampliamente en procesos y sistemas de instrumentación.
• Este tipo de protocolo de comunicación es ideal para instrumentos multivariables que incluyen medidores de flujo másico donde el flujo volumétrico, el flujo másico, la densidad y la temperatura se pueden comunicar hacia el sistema de control a través de un solo cable.
• Este protocolo está diseñado principalmente para su uso en aplicaciones de medición y control de procesos industriales.
• El protocolo HART se utiliza principalmente en industrias de procesos para la comunicación entre diferentes dispositivos.

Así, este es un funcionamiento del protocolo HART . Este protocolo es el estándar global utilizado para transmitir y recibir datos digitales a través de cables analógicos entre dispositivos de campo inteligentes, así como sistemas de monitoreo o control como sistemas DCS y PLC. Este protocolo de comunicación bidireccional simplemente proporciona el derecho de entrada a datos adicionales entre el campo y el controlador principal, desde un dispositivo portátil hasta un sistema de gestión de activos o un controlador de planta. Aquí hay una pregunta: ¿Cuál es la forma completa del protocolo HART?