El lazo de corriente 4-20 mA sigue siendo la base de la instrumentación en la mayoría de las plantas de proceso. El protocolo HART aprovecha ese mismo cableado para agregar un canal de comunicación digital bidireccional. Ese canal da acceso a la configuración, la calibración y el diagnóstico de los instrumentos sin alterar la medición analógica. Este artículo describe los principios de funcionamiento de HART, sus funciones principales y las áreas en que su aplicación genera mayor valor.
Origen y administración de la tecnología
HART (Highway Addressable Remote Transducer, transductor remoto direccionable) es un protocolo de comunicación bidireccional. Permite el acceso a datos entre instrumentos de campo inteligentes y sistemas anfitriones (hosts). Un host puede ser un comunicador portátil, un computador o el sistema de control, de gestión de activos o de seguridad de la planta [1].
FieldComm Group es la organización propietaria de las especificaciones HART y presta servicios de desarrollo de especificaciones, capacitación y registro de productos. Desde su lanzamiento, HART se convirtió en norma IEC. Ha pasado por tres revisiones mayores, todas compatibles con las versiones anteriores [2]. La especificación se compone de un conjunto de 17 documentos, y todo producto que declare conformidad debe cumplir con la revisión del protocolo que indica [3].
Principio de funcionamiento
Dos canales sobre el mismo par de conductores
HART proporciona dos canales de comunicación simultáneos. El canal analógico transmite la variable primaria (PV, primary variable) mediante la señal de 4-20 mA, sobre el mismo cableado que energiza al instrumento. El canal digital viaja superpuesto sobre ese cableado y transporta la variable primaria, el estado del dispositivo, los diagnósticos y otros valores medidos o calculados [1].
Modulación FSK
La comunicación digital se basa en el estándar Bell 202 y utiliza modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK, frequency shift keying) [1]. El «1» lógico se representa con 1.200 Hz y el «0» lógico con 2.200 Hz. La señal tiene una amplitud del orden de ±0,5 mA y valor medio nulo. Además, es de fase continua, por lo que no interfiere con la señal analógica [1][4]. La velocidad de transmisión es de 1.200 bit/s, lo que permite típicamente entre dos y tres actualizaciones de la variable primaria por segundo [1].
Para que el canal digital opere, el lazo debe presentar una impedancia dentro del rango definido por la especificación de capa física FSK, entre 230 Ω y 1.100 Ω [4]. En la práctica, esta condición se cumple con el resistor de entrada de la tarjeta analógica o con un resistor de comunicación de 250 Ω.
Capas del protocolo
De las siete capas del modelo OSI, HART utiliza tres: física, de enlace de datos y de aplicación [1]. Gracias a esta separación, la capa de aplicación, es decir, los comandos y los datos, es común a todas las variantes físicas de la familia HART.
Modelo de comunicación
HART es un protocolo de solicitud-respuesta (request-reply): el dispositivo de campo solo transmite cuando un host lo interroga [1]. El protocolo admite varios hosts en la misma red. El caso típico combina un sistema de control como host primario y un comunicador portátil como host secundario, lo que permite intervenir un instrumento en terreno sin desconectarlo del sistema [1].
De manera opcional, el modo ráfaga (burst mode) permite que el dispositivo transmita datos de forma continua tras una solicitud inicial del host [1]. Esto incrementa la tasa de actualización disponible para aplicaciones de supervisión.
Las redes HART admiten dos configuraciones [1]:
- Punto a punto: un instrumento por lazo. La señal 4-20 mA transporta la variable primaria y el canal digital entrega la información complementaria.
- Multipunto (multidrop): varios instrumentos comparten el mismo par de conductores. La corriente de cada equipo permanece fija y toda la información se intercambia digitalmente, lo que reduce el cableado en aplicaciones de monitoreo.
Cada mensaje incluye un preámbulo de sincronización, un delimitador de inicio, la dirección, el número de comando, el conteo de bytes, los datos y un byte de verificación (checksum). El direccionamiento admite dos formatos: una trama corta, basada en la dirección de sondeo (polling address), y una trama larga, basada en un identificador único del dispositivo [3].
Funciones principales
Conjunto de comandos
Las especificaciones definen el conjunto de comandos y sus tipos, de modo que cualquier dispositivo HART responda correctamente a cualquier host [1]. Los comandos se organizan en tres clases:
- Comandos universales (universal commands): todo dispositivo debe reconocerlos. Dan acceso a información de operación normal, como la variable primaria y sus unidades, la corriente de salida, el tag y los valores de rango [1].
- Comandos de práctica común (common practice commands): funciones presentes en muchos dispositivos, como el ajuste del amortiguamiento (damping) y del rango, la calibración de cero y span, la fijación de la corriente de salida y la autoprueba [1].
- Comandos específicos del dispositivo (device specific commands): funciones propias de cada instrumento, como la configuración de totalizadores, la calibración del sensor o la caracterización de válvulas [1].
Estado y diagnóstico
Cada respuesta del dispositivo incluye indicadores de estado definidos por la especificación. El host los interpreta para entregar información básica de diagnóstico [1]. De este modo, el sistema conoce la condición del instrumento en cada intercambio, sin consultas adicionales.
Variables dinámicas
Además de la variable primaria, un instrumento HART puede entregar hasta cuatro variables dinámicas predefinidas, identificadas como PV, SV, TV y QV, junto con otros valores medidos o calculados [1]. Así, un transmisor multivariable puede entregar, por ejemplo, presión, temperatura y caudal calculado por un solo par de conductores.
Descripción de dispositivos
Las funciones específicas de cada instrumento quedan disponibles para el host a través de su descripción de dispositivo (DD, Device Description) [1]. El lenguaje de estas descripciones está normalizado como EDDL (Electronic Device Description Language, IEC 61804-3) [5] y se integra en la tecnología FDI (Field Device Integration, IEC 62769) [6]. Gracias a ello, un mismo host puede configurar instrumentos de distinta procedencia con acceso completo a sus funciones.
La familia HART
La capa de aplicación de HART se ha extendido a otras capas físicas [7]:
- WirelessHART: normalizada como IEC 62591, opera sobre una red inalámbrica en malla autoorganizada [8].
- HART-IP: transporta el mismo protocolo de aplicación sobre redes IP. Como conserva la capa de aplicación, los archivos EDD/FDI de un instrumento 4-20 mA/HART o de un sensor WirelessHART siguen siendo utilizables aunque los datos pasen por un gateway [9].
Áreas de aplicación
HART es compatible con prácticamente todos los sistemas host y con la gran mayoría de los fabricantes de instrumentación para process automation (automatización de procesos) [7]. Su uso es habitual en minería, celulosa, industria química, petróleo y gas, y tratamiento de agua. Sus principales aplicaciones son:
- Instrumentación de medición: transmisores de presión, nivel, temperatura y flujo.
- Elementos finales de control: posicionadores de válvulas, con comandos específicos para punto de ajuste, caracterización y límites de carrera [1].
- Puesta en marcha y verificación de lazos: configuración remota del instrumento y fijación de la corriente de salida para comprobar la cadena de medición completa.
- Gestión de activos y mantenimiento predictivo: el software de gestión de instrumentos accede a configuración, diagnóstico, gestión de calibraciones y mediciones auxiliares. Mediante HART-IP, este acceso se extiende a instrumentos conectados a multiplexores, gateways WirelessHART y sistemas instrumentados de seguridad [9].
- Medición inalámbrica: puntos remotos o de difícil cableado mediante WirelessHART [8].
Beneficios
Las características descritas se traducen en beneficios concretos para la operación y el mantenimiento:
- Aprovechamiento de la infraestructura existente: el canal digital utiliza el mismo cableado 4-20 mA, sin modificar la señal analógica que emplea el sistema de control.
- Acceso completo al instrumento: configuración, calibración y diagnóstico, tanto desde la sala de control como desde terreno.
- Interoperabilidad: comandos normalizados, descripciones de dispositivo y registro de productos probados por FieldComm Group [2].
- Protección de la inversión: la compatibilidad entre revisiones permite incorporar nuevos instrumentos y sistemas host sin reemplazar la base instalada [2].
- Integración con niveles superiores: HART-IP y el modelo de información PA-DIM ponen los datos de los instrumentos a disposición de aplicaciones de analítica, mantenimiento predictivo y gestión de activos [10].
Conclusión
HART combina la robustez del lazo 4-20 mA con un canal digital que da acceso a toda la información de los instrumentos de proceso. Su conjunto de comandos normalizado, la información de estado en cada respuesta y las descripciones de dispositivo permiten configurar, verificar y diagnosticar instrumentos de distinta procedencia con las mismas herramientas. Con WirelessHART y HART-IP, esa misma capa de aplicación se extiende a redes inalámbricas e IP, lo que integra la instrumentación existente en las arquitecturas de digitalización de la planta.
Referencias
- FieldComm Group. HART Technology Explained. https://www.fieldcommgroup.org/technologies/hart/hart-technology-explained
- FieldComm Group. HART. https://www.fieldcommgroup.org/technologies/hart
- FieldComm Group. HART Protocol Specifications (HCF_SPEC-13, FCG TS20013). https://www.fieldcommgroup.org/hart-specifications
- FieldComm Group. FSK Physical Layer Specification (HCF_SPEC-54).
- IEC 61804-3. Devices and integration in enterprise systems – Function blocks (FB) for process control and Electronic Device Description Language (EDDL) – Part 3: EDDL syntax and semantics.
- IEC 62769 (serie). Field Device Integration (FDI).
- FieldComm Group. Technologies. https://www.fieldcommgroup.org/technologies
- IEC 62591. Industrial networks – Wireless communication network and communication profiles – WirelessHART.
- FieldComm Group. HART-IP: Technical Description (FCG AG10364). https://www.fieldcommgroup.org/sites/default/files/imce_files/technology/documents/FCG%20AG10364%20%7B1.0%7D_HART-IP_Technical_Description.pdf
- FieldComm Group. PA-DIM. https://www.fieldcommgroup.org/technologies/pa-dim
