Redes Industriales - Parte 3


César Cassiolato

Las especificaciones se actualizan constantemente para satisfacer todas las aplicaciones.

Em seguida veremos algunos detalles del protocolo HART.

Simplicidad: el HART y el lazo de corriente convencional

Las figuras 32 y 33 enseñan como entender el HART con facilidad. Em la figura 32 tenemos um lazo de corriente analógica, donde las señales de un transmisor adaptan la corriente que transmite según el proceso de medición. El controlador ubica la variación de corriente a través de la tensión bajo um resistor sensor de corriente. La corriente del lazo varía de 4 a 20 mA para frecuencias normalmente inferiores a 10 Hz.

La figura 33 se basa en la figura 32, donde se agregó  el HART. Ahora ambos teminales del lazo tienen un modem y un amplificador de recepción, este último con impedancia proyectada para no cargar el lazo de corriente. Además, el transmisor tiene una fuente de energía y  una fuente de tensión con acoplamentos AC. La llave en serie de la fuente de tensión en el controlador HART queda abierta, en funcionamiento normal. Los demás componientes del controlador HART pueden adicionarse al lazo de corriente, como hemos visto, o a través del resistor del sensor de corriente. Em cuanto a la tensión AC, el resultado es el mismo, pues la fuente de energía es un corto circuito. La señal analógica no se afecta, porque los componentes están acoplados. El receptor de frecuencia a menudo se considera parte del modem y normalmente no se muestra separadamente. En la figura 33 el se muestra aisladamente para indicar como deriva la señal de recepción de tensión. La señal de recepción no funciona unicamente en AC, tanto en el controller como en el transmisor.

Para enviar un mensaje, el transmisor, cuando prende su fuente de corriente,  superpone una señal de corriente de 1 mA pico a pico de alta frecuencia sobre la señal analógica de la corriente de salida. El resistor R del controlador convertirá esta señal en tensión en el lazo y esta se amplificará en el receptor llegando al demodulador del modem controlador. De la misma manera, para enviar um mensaje al transmisor, el controlador cierra su llave, conectando su fuente de tensión, que sobrepone una tensión alrededor de 500 mA pico a pico a través del lazo. Esta tensión se ve en los terminales del transmisor y se encamina al amplificador y al demodulador. Notese que la figura 33 insinua que el amo transmite como fuente de tensión, mientras el esclavo, como fuente de corriente.

La figura 34 muestra detalles de la señal HART, cuyas amplitudes pueden variar según la impedancia y capacitancia de cada equipo y la pérdidas causadas por otros elementos en el lazo. El HART usa el FSK, cableado por cambio de frecuencia (Frequency Shift Keying) donde la frecuencia de 1200 Hz representa el 1 binario, y la de 2200 Hz representa el 0 binario. Fíjese que estas frecuencias estan muy por encima de la banda de frecuencias de la señal analógica (0 a 10 Hz) de manera a no interferir entre ellas. Para asegurar una comunicación fiable, el protocolo HART especifica una carga total del lazo de corriente, incluyendo las resistencias de los cables, al mínimo de 20 Ohms y al máximo 1100 Ohms.

Figura 32 – Lazo de corriente convencional

Figura 34 – Modulación y señal HART

Los equipos de campo y manuales tienen un MODEM FSK integrado en lo cual la puerta seriada o USB de un PC o computadora portátil puede conectarse externamente a una estación. La figura 35 muestra una conexión HART típica de campo. Posteriormente, veremos otros tipos de conexión.

Figura 35 – Elementos típicos de una instalación HART

Figura 36 – Conexión HART punto a punto

Una conexión tipo punto a punto, como en a figura 36, necesita que la dirección del equipo se configure en cero en la hipótesis de usarse el modo de dirección en la comunicación para acceder a el.

En sistemas considerablemente grandes se puede utilizar multiplexadores para acceder a grande número de equipos HART, como se ve en la figura 37, cuyo usuario deberá seleccionar el lazo de corriente para comunicarse vía Host. En cascada, el host puede alcanzar varios equipos (mas de 1000), todos con dirección cero.

Existen aun redes multidrop y condiciones de split-range. En la figura 38, en la conexión multidrop, pueden conectarse hasta 15 transmisores en paralelo en la misma línea. La corriente que pasa por el resistor de 250 Ohms (mientras oculto en la figura será alta), causando nueva caída de tensión.

Por lo tanto, se debe garantizar que la tensión de la fuente de alimentación sea adecuada para proveer la tensión mínima de operación.

En el modo multidrop la corriente nunca queda en 4mA, sirviendo solo para alimentar los equipos del lazo.

Figura 37 – Conexión HART via multiplexer

Figura 38 – Conexión HART en Multidrop

Se usa la condición de split range en situación especial en la cual normalmente dos posicionadores de válvulas reciben la  misma señal de control, una operando con corriente nominal de 4 a 12 mA y la otra con corriente de 12 a 20 mA. En esta condición, los posicionadores se conectan en serie en el lazo de corriente con direcciones diferentes y el host podrá identificarlos a través de comunicación. Vea La figura 39.

Figura 39 – Conexión HART via Split Range

Como se ha visto anteriormente, el HART utiliza la señal de 4-20 mA, superponiendo una señal técnica FSK, transmitido por cambio de frecuencia (Frequency Shift Keying), cuya frecuencia de 1200 Hz representa el 1 (uno) binario y la de 2200 Hz representa el 0 (cero) binário. Cada byte individual del telegrama del estrato 2 se transmite em 11 bits, usándose 1200 kHz.

Cableado

Se utiliza un par de cables trenzados cuya resistencia total requiere atención pues influye directamente en la carga total, atenuando y destorciendo la señal. En líneas largas y sujetas a interferencias, recomendase el cable apantallado.

Estrato 2

El protocolo HART funciona según el estándar Amo-Esclavo y solamente el esclavo transmitirá un mensaje bajo solicitación del amo. La figura 40 muestra de manera sencilla el modelo de cambio de datos entre amo y esclavo. Toda comunicación se inicia por el amo y el esclavo solo responde algo en la línea bajo pedido a el. Hay control de tiempo entre los envíos de comandos por el amo  y también entre amos, cuando existen dos amos en el barramiento.

Figura 40 – Frame HART

Coexistencia de diversos protocolos en la misma fábrica

A partir de ahora la coexistencia entre diversos protocolos deberá tornarse común, principalmente en largas instalaciones que necesitan preservar sus inversiones. La Figura 41 es un ejemplo típico de un sistema con protocolos conjuntos Foundaton Fieldbus y HART en la misma fábrica. En este caso se usa la interfaz HART-FF, el HI302, posibilitando conexiones punto a punto y multidrop. El HI302 es un puente entre los equipos HART y FF, con 8 canales HART masters que permiten al usuario ejecutar mantenimiento, calibración y monitoreo del estatus del sensor y del equipo en general, entre otras informaciones.

Figura 41 – Integración Foundation Fieldbus y HART usando el HI302