Protocolo HART en la Automatización de Procesos Industriales

HART mejora la interfaz estándar 4-20 mA, proveyendo comunicación bidireccional con los dispositivos de campo inteligentes. Esta comunicación bidireccional está modulada en una señal de 4-20 mA a una frecuencia más alta que la normalmente observada por el equipamiento del proceso de control. Esto permite que la comunicación vía HART ocurra simultáneamente con una señal de 4-20 mA. Debido a que los dispositivos de campo inteligentes HART son fundamentalmente dispositivos de 4-20 mA, mantienen la compatibilidad con los sistemas y personal de planta existente. Consecuentemente, el personal puede utilizar los dispositivos compatibles con HART con poco conocimiento del protocolo y gradualmente adoptar las características del protocolo HART a su propio ritmo. En algunos casos, el personal de planta puede, sin darse cuenta, utilizar el protocolo HART (ej.) durante el curso de su día normal de trabajo.

HART ha sido bien establecido y aceptado por muchos años. Dispositivos de este tipo están disponibles para soportar tanto los más nuevos como los más establecidos procesos necesarios en la instrumentación. Además, muchos instrumentos multivariable están disponibles para simplificar el diseño del sistema y reducir costos.

Adicionalmente, como soporte del circuito 4-20 mA estándar, los dispositivos de campo compatibles con HART proveen (por ejemplo):

Variables de proceso digitales (en IEEE 745 punto flotante) con códigos y estatus estandarizados.
Estado del dispositivo en cada respuesta desde el dispositivo de campo, permitiendo que la integridad del sistema sea monitoreada continuamente.
Amplio soporte de calibración y diagnóstico.

Se pueden obtener beneficios significativos al utilizar las capacidades que se encuentran en todos los circuitos 4-20 mA HART de dispositivos de campo compatibles. Esta sección proveerá:

Un resumen de las potencialidades básicas de HART.
Un análisis de la arquitectura de los dispositivos de campo compatibles.
La evaluación de los equipos y software HART-compatibles.
Un resumen de la evolución de HART.

Esta sección no se enfocará en bits y bytes, proveyendo una guía en el desarrollo de los dispositivos de campo HART o proveyendo todos los detalles que un integrador de sistemas podría desear. Otros recursos están disponibles para llenar esta necesidad sin costo o por suscripción. En su lugar, esta sección se enfocará en el potencial proporcionado por la capa de aplicaciones HART y los beneficios que provee.

Evolución de los Dispositivos de Campo «Inteligentes»

Un dispositivo de campo inteligente es un transmisor o actuador de proceso basado en un microprocesador que soporta comunicaciones bidireccionales con un host; digitaliza las señales del transductor; y digitalmente corrige los valores de la variable de proceso para mejorar el rendimiento del sistema. Muchos dispositivos de campo contienen sofisticados algoritmos de procesamiento de señales para llevar a cabo las medidas o controlar las acciones requeridas. El valor de un dispositivo de campo inteligente radica en la calidad de los datos que provee.

HART y las capacidades del dispositivo de campo inteligente fueron desarrollados conjuntamente. Cuando HART fue inventado, los dispositivos de campo inteligentes estaban emergiendo. Muchos de los dispositivos de campo eran analógicos, y muchos de los ingenieros desarrolladores de los dispositivos tenían poca experiencia con microprocesadores. En consecuencia, los ingenieros no tenían una clara imagen de los beneficios que un microprocesador podía proveer al producto.

Debido a que los transmisores del circuito 4-20 mA solo entregan una única variable de proceso para el control del sistema vía loop current, el desarrollo anticipado de HART se enfocó en la variable de proceso primaria (VP). En HART, variable de proceso incluye todas las propiedades e ítems de datos necesarios para apoyar la loop current (Fig. 4.11a). Los comandos universales HART proveen acceso a todos los datos y propiedades de la loop current. Los valores de proceso asociados con VP incluyen valores digitales, rango de porcentaje y loop current. Las propiedades de VP incluyen rango de valores más alto y más bajo, límites del transductor más alto y más bajo, el número de serie del transductor y el lapso mínimo. La información del estado incluye la loop current fijada, la loop current saturada, VP fuera de límites y si el dispositivo ha fallado o no.

Pronto los desarrolladores encontraron diferentes usos para el microprocesador. La mayoría de los desarrollos se centraron en mejorar la precisión y confiabilidad. Por ejemplo, agregando un sensor de ambiente (ej. temperatura) junto con el software de linearización y compensación, mejoró dramáticamente la precisión. Incluso simples transmisores de presión y temperatura tienen ahora sensor de temperatura incorporado.

Hoy en día, virtualmente todos los dispositivos de campo HART son multivariable, e incluso aún más sofisticados dispositivos de campo multivariable se están haciendo disponibles. Por ejemplo, hay transmisores de presión que proveen el sensor de temperatura, transmisores de nivel que pueden calcular volumen y medidores de corriente que contienen totalizadores y realizan el registro de datos. El crecimiento en dispositivos de campo multivariables continúa acelerando a medida que aumentan las capacidades del microprocesador y los requerimientos de energía bajan. Al mismo tiempo, la comunicación HART ha evolucionado para proveer acceso a variables de proceso secundarias en dispositivos de campo multivariable.

HART fue inicialmente desarrollado para compañías de transmisores y posteriormente adoptado por controladores de válvulas inteligentes. Desafortunadamente, los fabricantes han sido lentos en aceptar y apoyar plenamente a HART. En consecuencia, la gran base instalada de dispositivos de campo HART compatibles ofrece una amplia gama de recursos sin explotar. Sin embargo, los proveedores de sistemas están comenzando a reconocer esta oportunidad y el continuo crecimiento que los dispositivos de campo multivariables les están entregando un estímulo adicional. Hoy en día, muchos proveedores de sistemas están añadiendo soporte para HART, mientras otros están mejorando su soporte existente.

Evolución del Protocolo HART

HART fue inventado por Rosemount en 1980 como una mejora al proceso de transmisores. Los desarrollos iniciales de HART se enfocaron en el soporte de la loop current de 4-20 mA y en proveer variables de proceso digital. Mucho después, HART ganó reputación por su capacidad de diagnóstico y solución de problemas. Mientras que estas son importantes ventajas, las variables de proceso digitales y la competencia motivaron el desarrollo del protocolo HART. HART revisión 4 fue la primera versión del protocolo en ser incluida en un número significativo de (mayormente Rosemount) dispositivos de campo. Aunque varios cientos de miles de dispositivos HART4 fueron producidos, la gran mayoría de dispositivos HART instalados (más de 10 millones) soportan la revisión 5 o posterior del protocolo.

En 1989, Rosemount liberó la revisión 5 de HART e hizo el protocolo disponible para cualquier fabricante deseoso de incorporarlo en su producto. HART se convirtió (y aún es) el único protocolo abierto que soporta dispositivos de 4-20 mA. Esto llevó a la formación del Grupo de Usuarios HART en 1990. Pronto un gran número de fabricantes estaban apoyando HART y el soporte técnico necesario resultó en la formación de la Fundación de Comunicación HART (HCF) en 1993. Cuando el HCF fue establecido, Rosemount transfirió la propiedad de toda la tecnología de HART al HCF, incluyendo patentes, marcas y la propiedad intelectual.

La Fundación de Comunicación HART

Hoy, todos los miembros de HCF tienen una participación igualitaria en el mejoramiento o modificación del protocolo HART. El HCF es apoyado por un staff de profesionales y técnicos responsables de todos los miembros, con la misión de apoyar la aplicación de la tecnología HART a nivel mundial como el órgano encargado de establecer las normas para las comunicaciones HART. El HCF:

Educa tanto a usuarios como a fabricantes.
Mantiene las especificaciones del protocolo HART y los desarrollos en las mejoras en la tecnología HART.
Dirige el programa de aseguramiento de calidad del HCF para asegurar la adherencia a los requerimientos del protocolo.

Como educador, el HCF provee muchos materiales sin costo, incluyendo libros blancos, notas de aplicación y reseñas técnicas. El HCF hace presentaciones en conferencias a nivel mundial. Además, talleres para desarrolladores y usuarios son ofrecidos por un pago nominal. Se provee asistencia a compañías con o sin membresía.

Cuando esta sección fue escrita, las especificaciones HART incluían 11 documentos, cada uno con su propio número de revisión (Tabla 4.11b). La revisión del nivel del protocolo es indicada por el documento titulado “HART Especificación del Protocolo de los Dispositivos de Campo”. Dentro de este documento, se especifica el nivel de revisión de todos los demás documentos de especificaciones. Todos los productos HART deben cumplir todos los requisitos de un protocolo específico. Todos los dispositivos HART deben soportar todos los comandos universales exactamente de la forma en que se especifican. Las especificaciones HART son revisadas cada 6 a 9 meses, principalmente para añadir códigos de fabricantes adicionales y unidades de ingeniería. Todas las versiones del protocolo, incluyendo las tempranas versiones Rosemount, están disponibles desde el HCF.

Las especificaciones HART están disponibles (a pedido) para cualquiera, en cualquier lugar. Para asegurar la adherencia a los requisitos del protocolo, el HCF opera un programa de aseguramiento de calidad. Todos los productos que declaran compatibilidad HART deben pasar todas las pruebas aplicables incluidas en el programa de aseguramiento de calidad. Cuando se evalúa un producto, los usuarios deben insistir en que el proveedor complete estas pruebas.

Hay logos y marcas frecuentemente asociados con el protocolo HART y restricciones en el uso de estos logos y marcas. Por ejemplo, el logo redondo de “HARTability” puede ser usado solo por miembros del HCF. HART es un protocolo abierto y un fabricante no está obligado a ser miembro del HCF. Sin embargo, cualquier producto que se describa a sí mismo como HART compatible debe cumplir todos los requisitos de la revisión de protocolos. HART es una marca registrada del HCF. En consecuencia, los productos que no cumplen con los requisitos del protocolo no están autorizados para afirmar compatibilidad HART.

Los Primeros en Adoptar HART

HART comenzó en la base del proceso de automatización con compañías de transmisores y válvulas, y en plantas de procesos se popularizó primero con técnicos de instrumentos. Herramientas de ahorro de tiempo como configuradores manuales y software específico de instrumentos facilitaron el rápido crecimiento y aceptación en las tiendas de instrumentos. Los agentes de compras comenzaron a especificar HART ante la insistencia de los técnicos de instrumentos. Sin embargo, los agentes de compras también comenzaron a requerir compatibilidad HART para acortar las listas de postores y simplificar las evaluaciones de ofertas. Las demandas de los técnicos de instrumentos y de los agentes de compras impulsaron aún más a los fabricantes de los dispositivos de campo para apoyar a HART.

A medida que los fabricantes comenzaron a apoyar a HART, muchos comenzaron a usarlo en sus procesos de fabricación. HART puede reducir los costos de la producción de dispositivos de campo. Por ejemplo, la caracterización del sensor puede ser realizada por el dispositivo de campo en sí mismo en vez de usar costoso y especializado equipamiento de prueba. Además, al proporcionar mayores capacidades del software del dispositivo de campo, los costos globales de las piezas y el número de conjuntos opcionales se pueden reducir. La utilización del protocolo durante la producción de los dispositivos de campo es tan común que HART asigna un número de comandos específicos solo para el uso en las fábricas de dispositivos. En algunos casos, el ahorro producido por el uso de HART en la producción de dispositivos de campo incluso ayudó a justificar la inversión del fabricante en el protocolo.

Otro de los primeros usos de las comunicaciones HART fue en las aplicaciones SCADA. El monitoreo de tuberías, transferencia de custodia y las aplicaciones de agua/gasto de agua tienen todos requerimientos significativos de comunicación. Las comunicaciones HART simplifican el sistema SCADA y reducen costos. En aplicaciones SCADA, tarjetas de entrada/salida analógicas fueron desechadas en favor de la adquisición directa de datos de proceso digitales usando comunicaciones HART. Los dispositivos de campo HART multiderivación reducen el consumo de energía y permiten el uso de fuentes de energía más pequeñas, baterías y paneles solares. El uso de HART en sistemas SCADA también llevó a la incrustación ad hoc de mensajes HART en otros protocolos, como paquetes de radios, comunicación satelital, TCP/IP, Modbus, y otros.

Subiendo en la Pirámide de la Automatización

En algún momento, el mito de que HART fue inventado como un protocolo de mantenimiento se arraigó. Algunos proveedores de sistemas suscriben este mito y lo usan para justificar un apoyo simbólico a HART. Por ejemplo, muchos sistemas eran provistos solo con terriblemente lentos sistemas de I/O multiplexados. Algunos otros proveedores de sistemas incluso justificaban el nulo apoyo a HART. Comenzando en 1997 y luego de años de aceptación por técnicos de instrumentos, los usuarios finales comenzaron a demandar un mejor soporte para HART desde los proveedores de sistemas. Las demandas de los usuarios finales están impulsando a muchos proveedores de sistemas a mejorar su soporte a HART o a desarrollar interfaces totalmente nuevas.

HART es relativamente simple (aunque no trivial). Las especificaciones del protocolo incluyen muchos requisitos obligatorios para todos los equipos compatibles con HART. En consecuencia, una funcionalidad considerable puede ser incluida en cualquier sistema sin necesidad de recurrir a drivers especiales o de soportar cualquier comando específico de dispositivo. La Tabla 4.11c enlista los datos y las funciones simples que cualquier sistema de alojamiento debe ser capaz de proveer. Los usuarios finales expertos deben insistir en el nivel mínimo de soporte cuando evalúen las ofertas de sistemas.

Adicionalmente, para mejorar el soporte del sistema, la incorporación de mensajes HART dentro de otros protocolos está creciendo de igual forma. Esto permite a las redes de control principal apoyar y aprovechar la base instalada de HART. Ambos, el soporte estandarizado como ad hoc están disponibles usando varios protocolos, incluyendo PROFIBUS-DP, TCP/IP y Modbus. Además, mensajes HART suelen pasar por el sistema de control de redes propietarias e I/O.

Dispositivos de Campo HART

Todos los dispositivos de campo HART soportan dos canales de comunicación: el tradicional current loop y la comunicación HART. La current loop ocupa la banda de 0 a 25 Hz, usada por todos los dispositivos de 4-20 mA para transmitir una única variable de proceso continuamente. HART reside en una banda superior de 500 a 10,000 Hz. Aunque frecuentemente HART se refiere a una comunicación digital, es en realidad analógica. Específicamente, HART comunica datos digitales usando señales analógicas (ver Sec. 4.4).

Hay requisitos mínimos que todos los dispositivos de campo HART deben cumplir:

Cumplimiento de los requisitos de la capa física y enlace de datos.
Soporte mínimo de los requerimientos de la capa de aplicación.
Todos los comandos universales deben ser implementados en todos los dispositivos exactamente de la forma especificada.

Además, la mayoría de los dispositivos de campo HART soportan una variedad de comandos de uso común. Cada vez que un dispositivo de campo soporta un comando de uso común, debe ser implementado el comando de la forma exacta como se especifica. El contenido mínimo de datos de cualquier dispositivo de campo es resumido en la Tabla 4.11c. El conjunto de comandos mínimo está listado en la Tabla 4.11d.

Incluso en las primeras revisiones de HART, el soporte para variables de proceso digital era obligatorio. A estas se accede mediante comandos universales y son llamadas “variables dinámicas”. Cuatro variables dinámicas pueden ser soportadas por los dispositivos de campo HART: las variables primaria (PV), secundaria (SV), terciaria (TV) y cuaternaria (QV). Todos los dispositivos deben soportar los comandos de las variables dinámicas. Sin embargo, un dispositivo podría no devolver (por ejemplo) la TV y QV si estos dispositivos no son multivariable.

La current loop de 4-20 mA del canal de comunicación conecta el dispositivo de campo HART con el sistema de control (Fig. 4.11e). La current loop está siempre conectada al PV (ver la sección de calibración abajo). Además, algunos dispositivos soportan más de una conexión de current loop. Cuando esto ocurre, la segunda current loop es conectada a SV y así sucesivamente. En otras palabras, las variables dinámicas conectan el dispositivo de campo HART con el sistema de control.

Nota: Para los transmisores, PV y la current loop son salidas. Para las válvulas, son entradas.

Sin embargo, como los dispositivos de campo comenzaron a proliferar, las variables dinámicas han resultado ser muy restrictivas. La revisión 7.0 de las prácticas específicas del comando común añadió soporte para dispositivos variables y proveyó capacidades estandarizadas adicionales para desarrolladores de dispositivos de campo multivariables.

Un dispositivo variable directa o indirectamente caracteriza el proceso conectado. Por ejemplo, en la Fig. 4.11e, las variables de dispositivo 0, 1 y 2 están conectadas al proceso y la variable de dispositivo 4 es calculada en base a las variables de dispositivo 0 y 1. La variable de dispositivo 3 está dentro del dispositivo de campo en sí (ej. puede ser un sensor de temperatura incorporado).

Sofisticados dispositivos de campo multivariables permiten a las variables de dispositivo asignadas a PV ser configuradas en base a los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, un indicador de nivel puede medir el nivel y calcular volumen. Sofisticados indicadores de nivel permitirán al usuario escoger si la current loop reporta nivel o volumen. Esto permite que los datos que son más importantes para el usuario sean transmitidos continuamente a través de la current loop. Simultáneamente, en el mismo cable, se puede acceder a las otras variables de proceso usando comunicaciones HART. Debido a que los dispositivos que soportan múltiples current loops son raramente utilizados, HART es usualmente la única forma de acceder a variables de proceso secundarias.

Como muchos sistemas de control soportan solo una medición (ej. variable de proceso) por conexión I/O, los dispositivos multivariables pueden presentarse con serios problemas. Como veremos luego, este problema puede ser agravado cuando se elige un diseño de sistema deficiente de I/O. Antiguos sistemas con deficiente o sin soporte HART pueden indirectamente soportar dispositivos de campo variable. Algunos productos pueden convertir procesos secundarios de variables digitales HART a señales múltiples de current loop. Estos dispositivos hacen a un dispositivo de campo lucir como si generara cuatro current loops en vez de una. Por supuesto, el sistema de control necesita cuatro puntos de I/O en vez de uno, también.

Compatibilidad con Versiones Anteriores

Claramente, el protocolo HART es compatible con versiones anteriores con equipos de 4-20 mA. Sin embargo, la compatibilidad anterior de HART se extiende más allá de eso. Las especificaciones del protocolo HART incluyen requisitos específicos de compatibilidad con versiones anteriores. Estos requisitos aplican tanto a modificaciones de productos existentes HART como a modificaciones de las especificaciones HART en sí mismas.

Las reglas de la compatibilidad anterior, en general, permiten que se añadan datos y comandos. Sin embargo, el significado de datos ya existentes no puede ser cambiado. Más aún, los comandos y datos no pueden ser eliminados bajo ninguna circunstancia. Por ejemplo, un dispositivo de campo añadiendo un byte de datos al comando específico 136 del dispositivo solo es necesario para aumentar la revisión del dispositivo (Tabla 4.11f). Sin embargo, si el comando 136 fuese borrado, el desarrollador debe cambiar el número de tipo del dispositivo y, en efecto, crear un nuevo tipo del dispositivo de campo.

La compatibilidad con versiones anteriores es fundamental para garantizar la continuidad del funcionamiento de los sistemas de planta instalados. Un host usando cualquier característica en un dispositivo de campo puede estar seguro de que la misma característica estará siempre disponible y operará de la misma forma con todas las futuras revisiones de ese dispositivo de campo. Esto permite que cualquier dispositivo de campo sea reemplazado de forma segura (ej. sin “romper” o desconfigurar el sistema de control) por una nueva versión del dispositivo, incluso si el sistema está usando datos o comandos específicos del dispositivo.