ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE Y ANLISIS DEL PROTOCOLO HART

EDWIN FERNANDO GARCA CAMEJO

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA ESPECIALIZACIN EN CONTROL E INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL

BUCARAMANGA 2014

1. INTRODUCCIN

El desarrollo del control en la industria va de forma paralela a las comunicaciones. Cada vez es ms necesario tener dispositivos inteligentes los cuales son los encargados de supervisar los procesos por medio de los buses de campo. Un bus de campo es un conjunto de redes de comunicacin para uso industrial, cuyo objetivo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a travs del tradicional bucle de corriente de 4-20mA. Tpicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores y sensores. Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente, manteniendo siempre un coste bajo. Cada uno de estos elementos ser capaz de ejecutar funciones simples de autodiagnstico, control o mantenimiento, as como de comunicarse bidireccionalmente a travs del bus. El objetivo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes para control distribuido con las que mejorar la calidad del producto, reducir costes y mejorar la eficiencia. Para ello se basa en que la informacin que envan y/o reciben los dispositivos de campo es digital, lo que resulta mucho ms preciso que si se recurre a mtodos analgicos. Adems, cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente y puede llevar a cabo funciones propias de control, mantenimiento y diagnstico. De esta forma, cada nodo de la red puede informar en caso de fallo del dispositivo asociado, y en general sobre cualquier anomala asociada al dispositivo. Esta monitorizacin permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias. El protocolo de comunicacin HART es mundialmente reconocido como un protocolo estndar de la industria para comunicacin de los instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, basados en microprocesador. El uso de esta tecnologa est creciendo rpidamente y hoy en da prcticamente todos los principales fabricantes del mundo de instrumentacin ofrecen productos con comunicacin HART. El protocolo HART permite la superposicin de seal de comunicacin digital a las seales analgicas de 4-20mA, sin interferencia, en el mismo cableado. El protocolo HART proporciona algunos de los beneficios dados por la tecnologa fieldbus, manteniendo la compatibilidad con la instrumentacin analgica y aprovechando el conocimiento ya dominado sobre los sistemas 4-20mA existentes. [1] En este proyecto se realizar un estudio del estado del arte y se realizar un anlisis de los avances y miras al futuro de este importante protocolo de comunicacin los beneficios disponibles a travs de esta importante tecnologa.

2. TITULO DE LA INVESTIGACIN ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE Y ANLISIS DEL PROTOCOLO HART 3. DESCRIPCIN DEL PROYECTO.

3.1. Antecedentes

Aunque el protocolo HART es uno de los ms utilizados en el mundo, son muy pocas las publicaciones en Colombia acerca de sus aplicaciones; algunos de los ms recientes publicados por COLCIENCIAS son: La Implementacin de un Gateway entre los protocolos Wireless HART y XML-RPC/TCP, desde Noviembre 2013 hasta Enero 2014, de los estudiantes Ramrez Solarte Natalia y Arango Franco Daniel Alejandro, Universidad del Valle. El trabajo de conclusin de curso de pregrado donde se realiz el Diseo de un Adaptador Inalmbrico HART, Desde Junio 2011 hasta Julio 2013, del estudiante Hernn Daro Dussan Restrepo, Universidad del Valle.

3.2 Planteamiento del Problema

Colombia se encuentra en un proceso de transicin hacia las Plantas Inteligentes que necesita de profesionales que integren el perfil del Ingeniero Informtico y del Ingeniero Industrial. Desde que se desarrollaron los sistemas automatizados, en particular aquellos que comandan las mquinas, una verdadera revolucin ocurri en la produccin de bienes. Los resultados de sus constantes desarrollos produjeron un aumento en la cantidad de productos, la mejora en su calidad, una economa de materiales, en el uso de los equipos industriales, una economa controlada de energa y una reduccin de mano de obra en tareas no especializadas. Posteriormente y sustentados en mejores desarrollos, se introdujo en las plantas la tecnologa CIM (Manufactura Integrada por Computadoras), compuesta por el diseo asistido por computadora, mquinas controladas numricamente, sistemas de manufactura flexible, manejo automtico de materiales y robots industriales. En la actualidad, nos encontramos frente a algo nuevo: la integracin de estas tecnologas a travs de las llamadas redes industriales, que comandan distintos niveles de acciones como son Nivel de accin sensado o de instrumentacin formado por los elementos de medida y mando distribuidos en una lnea de produccin. Nivel de control en el que se sitan los elementos capaces de gestionar los actuadores y sensores del nivel anterior tales como autmatas programables o equipos de aplicacin especfica basados en microprocesador como robots, mquinas herramienta o controladores de motor.

Nivel de supervisin por medio del cual es posible visualizar cmo se estn llevando a cabo los procesos de planta, y, a travs de entornos scada, poseer una imagen virtual de la planta, de modo de que sta se puede recorrer de manera detallada. Nivel de gestin que se caracteriza por gestionar la produccin completa de la empresa, comunicar distintas plantas, mantener las relaciones con los proveedores y clientes, proporcionar las consignas bsicas para el diseo y la produccin de la empresa. En l se emplean PCS, estaciones de trabajo y servidores de distinta ndole. Todo este sistema est integrado y las redes se encuentran interconectadas, sometidas a diferentes protocolos. Estamos en presencia de una Planta Inteligente. Dada la avanzada tecnologa hoy se necesitan perfiles en Ingeniera que desarrollen un acercamiento formal a las producciones intelectuales en las redes industriales y para nuestro caso el mundialmente conocido protocolo HART. Este acercamiento lo logramos conociendo otras investigaciones que permitan clarificar las ideas respecto a este protocolo de comunicacin, y as poder definirlo mejor, afinarlo, delimitarlo, y enfocarlo desde la perspectiva industrial. Adicionalmente conoceremos qu es lo ltimo que se ha producido de este protocolo y conoceremos a los autores que estn haciendo investigacin sobre el tema. De esta manera iniciaremos un intercambio de informacin, y podremos establecer una relacin acadmica con otros investigadores.

4. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO GENERAL

Elaborar una gua de laboratorio Terico - Prctica con el fin de dar a conocer detalladamente el protocolo HART aprovechando los recursos disponibles en el laboratorio de instrumentacin.

4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Realizar el estudio terico del protocolo HART. Conocer los equipos disponibles en el laboratorio de instrumentacin

para desarrollar la prctica de laboratorio. Investigar las producciones intelectuales relacionadas con el protocolo de

comunicaciones HART. Clasificar los diferentes avances y mejoras del protocolo HART.

5. MARCO DE REFERENCIA

5.1. Protocolo HART

Creado a fines de la dcada de los 80, el protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) es uno de los estndares lderes en la comunicacin con instrumentacin inteligente de campo, y contina aumentando su popularidad y reconocimiento en la industria como un modelo global para este tipo de tareas, existiendo en la actualidad innumerables instalaciones de HART en el mundo. En los aos 90 se cre la HART Communication Foundation, una fundacin sin fines de lucro entre las empresas que adoptaron este protocolo, con el objeto de proveer un soporte para la aplicacin de esta tecnologa, asegurndose que fuera abierta y estuviese disponible en beneficio de la industria. Actualmente, esta fundacin maneja los estndares de protocolos y la propiedad intelectual de los mismos, realiza cursos de entrenamiento y se encarga de la masificacin de HART en el mundo. Por otra parte, los mayores proveedores de instrumentacin apoyan este protocolo, contando con una variada gama de instrumentacin para aplicaciones de medicin y control. [2]

5.2. Caractersticas del protocolo

5.2.1. Fcil de usar HART tiene una eficacia probada en terreno, es muy sencillo de usar y provee una muy efectiva comunicacin digital de dos vas. Asimismo, este protocolo es usado simultneamente con la seal anloga de 4-20 mA, utilizada por los instrumentos tradicionales. 5.2.2. Solucin de comunicacin nica Como ninguna otra tecnologa de comunicacin digital, el protocolo HART provee una excepcional solucin de comunicacin compatible con gran parte de la base de instrumentos instalados y en uso actualmente. Esta caracterstica de compatibilidad asegura que el cableado existente y la estrategia de control actual continuarn en el futuro. Diseado para ocupar la seal anloga tradicional de 4-20 mA, el protocolo HART maneja comunicaciones digitales utilizando dicha seal como portadora, para medicin de procesos y aparatos de control. Las aplicaciones incluyen interrogacin de variables de proceso remotas, acceso cclico a datos de proceso, ajuste de parmetros y diagnstico.

5.2.3. Comunicacin tipo Maestro-Esclavo Durante operacin normal, en cada esclavo (equipo de terreno) la comunicacin es iniciada por un equipo de comunicacin tipo maes-tro. Dos maestros pueden conectarse a cada lazo de comunicacin HART. El maestro primario es generalmente un aparato de Control tipo DCS (sistema de control distribuido), controlador de lgica programable (PLC) o un Computador Personal (PC). El maestro secundario puede ser un terminal porttil de comunicacin u otro PC. Los aparatos esclavos incluyen transmisores, actuadores de vlvula y controladores que responden al comando del maestro primario o secundario. 5.2.4. La seal de frecuencia, corazn del protocolo El protocolo de comunicacin HART est basado en el sistema de comunicacin telefnica estndar BELL 202 y opera usando el principio del Cambio Codificado de Frecuencia (FSK). La seal digital est construida de dos frecuencias principales, 1200 Hz y 2200 Hz, representando los Bits 1 y 0 (cero), respectivamente. Las ondas seno de estas dos frecuencias estn superim-puestas en la seal de corriente continua anloga de 4-20 mA DC. Con esto, cables de comunicacin con seales anlogas transportan a la vez comunicacin anloga y digital (Fig. 1).

Figura 1: Comunicacin anloga y digital simultnea.

Producto que el valor promedio de la seal FSK es siempre cero, la seal anloga de corriente continua de 4-20 mA, no es afectada en ningn modo por esta comunicacin digital. La comunicacin digital tiene un tiempo de respuesta promedio aproximado de dos a tres actualizaciones por segundo, sin interrumpir la seal anloga, y se requiere una mnima impedancia de lazo anlogo de 230 ohms. [2]

5.3. Redes de comunicacin HART Los aparatos HART pueden operar en una o dos configuraciones diferentes de RED: Punto a punto o Multidrop (multipunto).

5.3.1. Comunicacin tipo Punto a Punto En el modo Punto a Punto, la seal tradicional de 4-20 mA es usada para comunicar una variable de proceso mientras otras variables adicionales -parmetros de configuracin y otras informaciones de aparato- son transmitidas digitalmente usando el protocolo HART (Fig. 2). La seal anloga de 4-20 mA no es afectada por la seal HART y puede ser usada para el monitoreo o control en la forma normal. La seal de comunicacin digital HART le da acceso a variables secundarias y a otras informaciones, que pueden ser usadas para propsitos de operacin, mantencin y diagnstico.

Figura 2: Modo de operacin Punto a Punto.

5.3.2. Comunicacin tipo Multipunto (Multidrop)

El modo Multipunto requiere solamente un par de alambres y si es aplicable, el lazo tambin 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 Multi-punto, las direcciones de "Polling" de los aparatos de terreno son mayores que 0 y la corriente a travs de cada equipo est fijada a un mnimo valor (tpicamente 4 mA).

Figura 3: Modo de operacin Multipunto.

Se recomienda el uso del modo Multipunto para aplicaciones con instalaciones de control de supervisin, que tengan equipamientos bastante alejados entre s, tales como tendidos de caera en gasoductos y oleoductos, como tambin en instalaciones en plantas de almacenamiento de combustibles u otros fluidos, o en estaciones de transferencia controlada de fluidos. [3]

5.4. Beneficios de la Comunicacin HART

Mejora las operaciones en planta. Otorga mayor flexibilidad operacional. Protege la inversin realizada en la instrumentacin de la planta. Entrega una alternativa econmica de comunicacin digital. Implica un ahorro considerable en materiales elctricos en las

instalaciones Multipunto. [4] 6. METODOLOGA

El mtodo que se propone desarrollar se dividir en etapas secuenciales que irn acompaadas de un estudio tcnico-descriptivo, mediante la implementacin de una gua de laboratorio en la cual se profundizaran detalladamente los diferentes modos de comunicacin, desplazamiento de frecuencia, lazos de conexin, las redes HART, la estructura del mensaje HART y se realizar un anlisis de las Tecnologas desarrolladas recientemente para este protocolo. Inicialmente se realizara la consulta terica en etapas cortas plenamente definidas, posteriormente entraremos en detalle a sus aplicaciones y funciones en el campo experimental, y por ltimo se realizarn pruebas en el laboratorio de instrumentacin para comprobar lo investigado.

7. ALCANCES Desarrollo de un estudio terico sobre el protocolo HART, con la profundizacin para precisar su definicin, operacin, estructura y aplicacin. El documento final contendr adems una gua de laboratorio terico-prctica donde se familiarice al estudiante con el funcionamiento del protocolo HART apoyado en los equipos que actualmente dispone el laboratorio de instrumentacin de la Universidad Pontificia Bolivariana seccional Bucaramanga. La informacin obtenida durante la evolucin del proyecto, las especificaciones que condensan el estado de arte para la utilizacin dar soporte a las caractersticas de los equipos y contribuirn a un conocimiento ms amplio de las redes industriales y especialmente del protocolo HART como bus de campo. 8. INTEGRANTE DEL PROYECTO Edwin Fernando Garca Camejo Ingeniero Electrnico Universidad de Pamplona, 2010 9. DIRECTOR DEL PROYECTO Jhon Jairo Padilla Aguilar Ingeniero Electrnico - Universidad del Cauca, 1993 Maestra en Informtica - Universidad Industrial de Santander, 1998 Doctor en Ingeniera Telemtica - Universidad Politcnica de Catalua, 2008 10. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Tiempo

Semana 1

Semana 2

Semana 3

Semana 4

Actividades

Investigacin de los temas

bsicos del estado de arte

Revisin de la teora,

caractersticas, principios y

funcionamiento del Protocolo

HART Anlisis de la estructura del mensaje del

protocolo HART

Revisin Bibliogrfica del Futuro de este

protocolo

Desarrollo gua de laboratorio

Terico - Practica

Determinacin, seleccin y

disposicin del contenido.

Tiempo

Semana 5

Semana 6

Semana 7

Semana 8

Actividades Valoracin del

contenido

Deteccin y correccin de

errores

Validacin y aceptacin del

proyecto.

Sustentacin

Entrega de documentacin

Tabla 1. Cronograma de actividades

11. VISIBILIDAD DEL PROYECTO Para la divulgacin del proyecto se realizar una sustentacin pblica en la Universidad Pontificia Bolivariana seccional Bucaramanga. 12. PROPIEDAD INTELECTUAL La propiedad intelectual de la presente investigacin ser de la Universidad Pontificia Bolivariana y su autor.

13. PRESUPUESTO

Impresin de Documentos y papelera $50,000

Transporte $150,000 Hospedaje $120,000 Acceso a Bases de datos $50.000 Comunicaciones $80.000 Gastos imprevistos $50,000

Total $500.000

14. BIBLIOGRAFA

1. APPLICATION GUIDE HCF LIT 34 (Guia de Aplicacion HART) Guas y Documentos HART (www.hartcomm.org)

2. Articulo Electro industria,Por Kurt Meichsner, miembro activo del Comit de

Automatizacin de AIE.( www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=95)

3. HART Protocol Specification: Data Link Layer Specification, Revision 8.0, HCF, 2001.

4. Barandica A., Arroyave F.J., Rodrguez M.A.,Aplicacin software para el uso del protocolo HART de comunicaciones industriales, UIS Ingenieras, Vol. 7, No. 2, p 95, Abril 2009.

5. Hart Field Communication Protocol an Introduction for Users and Manufacturers. Rev. 1995. Texas, USA.

6. HELSON, Ron. Hart Tutorial, Hart Communication Foundation. Austin Texas,

USA.

7. Wireless HART Technical Datasheet, HCF_LIT-89. Revision 1.0B. HCF, 2007.

8. Achieving Digital Integration Using the HART Protocol, HCF, 2002.