4.HART
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1
COMUNICACIONES EN LA
INDUSTRIA.
HART
Ing. Carlos E. Cotrino B. M Sc
Equipos “Inteligentes”
•Cualquier equipo con capacidad de proceso
digital.
•Compensaciones de temperatura
•Corrección no linealidades
•Combinar varias medidas
•Reajuste
•Diagnóstico
•Simplificación de modelos.
•Configuración vía “hand held”
C.Cotrino_Ene_2013 2
2
Comunicación digital
• Usar el mismo par de hilos ya existente
• Incluir valor de la variable de proceso
• Incluir información de estado
• Eliminar conversiones AD y DA internas
• Adiciona retardo en la comunicación
• Enlaces de baja velocidad pueden causar
retardo indeseado.
• Posibilidad de conexión “multidrop”
C.Cotrino_Ene_2013 3
HART (Highway Addressable Remote
Transducer) 2
• Introduced in 1989
• Proven in practice, simple design, easy to maintain and operate.
• Compatible with conventional analog instrumentation.
• Simultaneous analog and digital communication
• Option of point-to-point or multidrop operation
• Flexible data access via up to two master devices
• Supports multivariable field devices
• Response time of approx. 500 ms
• Open de-facto standard freely available to any manufacturer or user
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3
HART Versions4
C.Cotrino_Ene_2013 5
Protocolo HART
• Especifica:
• Forma física de la transmisión.
• Procedimiento transacciones
• Estructura del mensaje
• Formato datos
• Conjunto de comandos
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4
HART2
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Transmisión
• Capa física basada en Bell 202. FSK
• Velocidad: 1200 baud
• Bit 0 tono de 2200 Hz
• Bit 1 tono de 1200 Hz
• Valor promedio cero.
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6
Espectro de frecuencia1
• BW señal digital
950 a 2500 Hz
• BW señal de
medición: 0 a 20
Hz
• Fácil separación
por filtro pasa
bajos
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Niveles de señal1
• Maestro transmite señal de voltaje.
• Esclavo transmite corriente.
• Señal de corriente se convierte a voltaje
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Conexión de entrada1,5
• El transmisor modula la señal de comunicación en
corriente, por lo tanto es necesaria una resistencia
de carga para interpretar los mensajes
• Existen dos modos de alimentación de potencia, activo y
pasivo.
• Modo activo, el instrumento o dispositivo HART recibe
localmente alimentación AC/DC.
• Modo pasivo, el sistema de control a través de sus
tarjetas de entrada/salida alimenta remotamente el
dispositivo por el mismo cable de comunicaciones
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Conexión de entrada: Loop powered1
• Señal HART se
introduce y se detecta
entre A-B o entre B-C
• Maestro HART no
debe presentar carga
DC: entrada
capacitiva.
• Resistencia de carga
entre 230 Ω y 600 Ω
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Conexiones de entrada: transmisor activo1
• Fuente activa: señal
HART se conecta
entre B-C
• Maestro HART no
debe presentar
carga DC: entrada
capacitiva.
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Conexiones de salida1
• Salida control genera
o absorbe la
corriente.
• Impedancia de carga
entre 300Ω y 1000Ω
• Dispositivo HART
entre AB o entre BC
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Ancho de banda
• Ancho de banda necesario: 2500 Hz
• La resistencia y la capacitancia equivalentes del lazo
HART deben tener una constante de tiempo (τ) de 65μS
o menos. (Pasabajos de primer orden)
• Constante RC total : 65 μs
• R = Rcarga + R cable + Rbarrera
• C = Ccarga + C cable + Cbarrera
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Ancho de banda1,5
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Cable2
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Cable
• Corta distancia, cable no blindado 0.2 mm2 ,
dos hilos.
• Distancias < 1,500 m, par entorchado individual
0.2 mm² , con blindaje común.
• Distancias hasta 3,000 m, par entorchado
individual 0.5 mm2 , blindaje por cada par.
• CN = capacitance number: recomendada 5 nF
para dispositivo de campo
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11
Cable1
C.Cotrino_Ene_2013 21
..\Soporte\8441-0101000-Belden-datasheet-29746.pdf
Aterrizaje
• En particular para instrumentos HART se debe
aterrizar el lazo de corriente únicamente en un
punto!
• No debe ser conectado a la carcasa del
instrumento a menos que esta este aislada.
• (Traditional grounding methods for 4-20 mA
loops and HART have the shield of the cable
connected to ground at one end only)4
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12
Aterrizaje4
• Current thinking as outlined in IEC 61000-5-2
Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 5 Installation
and mitigation guidelines - Section 2: Earthing and
cabling, recommends grounding the shield at each end
for point-to-point and at every point for multi-drop.
• This provides the best protection against EMC and for
safety as well.
• This method assumes that all points are on the same
ground (i.e. use an equipotential grounding grid).
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Aterrizaje4
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13
Seguridad intrínseca2
• Ensure that a field device has sufficient voltage
to operate, taking into account zener barrier
resistance, the load resistor, and any cable
resistance.
• Additional requirements: • The voltage available for the transmitter must be reduced by
an additional 0.7 V to allow headroom for the HART
communication signal and yet not approach the zener barrier
conduction voltage.
• The load resistor must be at least 230 Ω (typically 250 Ω).
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Seguridad intrínseca2
• Depending on the lift‐off voltage of the
transmitter (typically 10–12 V), these two
requirements can be difficult to achieve.
• The loop must be designed to work up to 22 mA
(not just 20 mA) to communicate with a field
device that is reporting failure by an upscale,
over‐range current.
• The series resistance for the same zener barrier
may be as high as 340 Ω.
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14
Seguridad intrínseca2
• Available transmitter voltage = Power Supply
Voltage – (Zener Barrier Resistance + Sense
Resistance) × Operating Current (mA).
• Example: 26.0 V – (340 Ω + 250 Ω) × 22mA =
13.0 V
• Any cable resistance can be added as a series
resistance and will reduce the voltage even
further
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Seguridad intrínseca2
• In addition, the power supply to the zener
barrier must also be set lower than the
zener barrier conduction voltage.
• For example, a 28 V, 300 Ω zener barrier
would typically be used with a 26 V power
supply.
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Seguridad intrínseca6
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R de la barrera se debe tener en cuenta para calculo de C.
Capa de enlace5
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Capa de enlace
• Establece la estructura de los paquetes de
mensajes, detecta errores de tramas y de
bits.
• Binario
• Orientado a bytes (byte-oriented
protocol: a communications protocol that
uses control codes made up of full bytes)
• Serial
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Protocolo HART
• Esquema de comunicación: Maestro – Esclavo.
• Dispositivos Maestros: Terminales portátiles,
Estaciones de trabajo, Consolas de sistemas de
control.
• Esclavos HART: sensores, transmisores,
actuadores.
• Pueden existir dos maestros simultáneamente
• Temporización define cuando cada maestro
inicia comunicaciones.
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Enlace: dato5
• Arranque + 8 bits
datos + 1 bit paridad
impar + parada
• Do = LSB primero (en
tiempo)
• No puede haber gaps
entre caracteres
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Enlace: mensaje5
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Enlace: mensaje
• HART Rev 5: telegrama largo.
• Preámbulo: 3 o más caracteres FF H
para sincronizar participantes y
compensar pequeños retardos.
• Comando #0: cuantos caracteres acepta
el esclavo.
• Comando #59 cuantos caracteres debe
usar el esclavo en respuesta.
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Enlace: delimitador de inicio5
• Carácter o Delimitador de
arranque: (1 byte) indica
el comienzo real del
mensaje; quien está
enviando datos y que
formato se usa.
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Enlace: dirección5
• Campo de dirección:
Formato corto de un byte.
Un bit para identificar
maestro, otro para
identificar el modo de
transmisión y cuatro bits
para las direcciones (1 a
15)
• Está definido, pero no en
uso, un formato largo de 5
bytes
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Enlace: dirección1
• Uno cualquiera de los dos maestros posibles
inicia la comunicación.
• Esclavos solamente pueden responder a los
comandos del maestro.
• Acceso por tiempo fijo desde cada maestro.
• Identificador único: 38 bits incluye
“Manufacturer Code (6) + Device Type
Code(8)+ Individual device Identification Code
(24)”.
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Enlace: dirección1
• Modo “broadcast”: comandos HART enviados a todos los dispositivos esclavos simultáneamente. Últimos 38 bits en 0.
• Maestro indica que esclavo debe responder.
• Modo “burst”: esclavos envían mensajes alternados a cada maestro con intervalos de 75 ms. (4 mensajes por segundo)
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Enlace: comando1
• Entero en el rango 0 a 253 (FDhex)
• Tres tipos de Comando HART: Universal,
Práctica Común y Específico.
• Significado de los comandos depende de
la capa 7.
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Enlace: conteo bits y estatus1
• Conteo de bytes: 8 bits, número de
bytes en secciones de estado y dato.
• No incluye byte de chequeo
• Este dato permite identificar el mensaje y
aplicar el chequeo de error.
• Estatus: 2 bytes. Transmitido sólo por el
esclavo para indicar recepción del
mensaje.
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Enlace: datos1
• Datos: se pueden transmitir como enteros no
signados; números de punto flotante o
caracteres ASCII.
• HART 6: comandos hasta de 33 bytes de datos.
Transferencia de bloques usa campos de datos
más largos.
• Máxima longitud: 253 bytes
• Tiempo de la transacción depende de la
longitud de los datos.
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Enlace: chequeo1
• Paridad longitudinal o “Exclusive or” de todos
los bytes precedentes, empezando en en el
carácter “Start”
• Es adicional al bit de chequeo de paridad de
cada byte individual.
• Byte de chequeo contiene información para la
paridad de todos los bytes del telegrama.
• Distancia Hamming del protocolo HART: 4.
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Estado de los dispositivos y
comunicaciones
• El estado de un dispositivo en campo es
enviado en el campo STATUS de todas las
tramas de respuesta generadas por cualquier
comando.
• Existen comando especializados para leer el
diagnostico del dispositivo: • Device-specific status utiliza el comando #0
• Extended field Device status utiliza el comando #0, #9, #48
• Device variable status utiliza el comando #9
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Estado de los dispositivos y
comunicaciones5
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Errores en HART
• Error de comunicaciones: Cuando se reporta
algún tipo de error en las comunicaciones, no se
envía ninguna información en el campo de
DATA. Bit 7=1 Error de comunicaciones
• Error de ejecución de comando - Comandos de
respuesta.
• Errores y fallas del dispositivo de campo –
Status: se reporta únicamente si no hay error en
las comunicaciones o
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Capa de Aplicación5
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Capa de Aplicación: Comandos
• 1 byte.
• Entero entre 0 y 253 (FDhex)
• Comando 31 (1F) indica comando extendido.
• Tipos:
• Read: no cambia dato, respuesta con
datos solicitados
• Write: nuevo valor para almacenar en
esclavo
• Comando: orden para esclavo
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Capa de Aplicación
• Comandos predefinidos permiten al maestro dar
instrucciones o enviar datos y mensajes al
esclavo: “set points”, valores y parámetros
actuales, iniciar diagnósticos etc.
• El esclavo responde enviando un telegrama de
reconocimiento, que puede contener el estado
del dispositivo y/o la información solicitada.
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Capa de Aplicación
• Comandos universales: mandatorios en todos
los dispositivos HART. (0 a 30)
• Comandos de la práctica común: comunes a
muchos dispositivos. (32 a 121)
• Comandos “no públicos” (122 a 126)
• Comandos específicos para cada dispositivo.
(128 a 253)
• Comandos para familia de dispositivos (1024 a
33791)
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30
Comando no públicos
• #122 a # 126
• Usado para información del fabricante
durante ensamble del dispositivo: SN
• Protegidos por “password”
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Comandos específicos1
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Ejemplo: pregunta utilizando el
comando "Read PV“5
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Ejemplo: respuesta al comando "Read
PV“5
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Familia de dispositivos1
• HART 6
• Conjunto común de comandos para
calibración y ajuste de instrumentos con
tipos específicos de sensores.
• Funcionalidades comunes (PID)
• Mejoran interoperbilidad entre equipos de
diferentes fabricantes.
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Familia de dispositivos1
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Aplicación: variables
• Variables del dispositivo
• Variables dinámicas
• Múltiples salidas análogas
• Parámetros de configuración
• Información del dispositivo
• Unidades de ingeniería
• Estatus del dispositivo
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Aplicación: datos
• Enteros
• Punto flotante: IEEE 754.
• Precisión sencilla, 32 bits: 1 signo, 8
exponente, 23 mantisa
• Alfa-numéricos
• Enumerados (Códigos)
• Bit
• Fecha
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IEEE 7545
• Exponente (E) y la
mantisa (M).
• El número representado
es M*2E (Hex), o sea M
veces 2 elevado al valor
E).
• El primer bit se usa para
indicar el signo
(1=negativo)
• 8 bits como exponentes y
23 bits de mantisa.
• Se pueden representar
números desde 10 -38
hasta 10 +38 con una
resolución de 1 en 107
equivalente a 0.00001%
del valor.
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IEEE 7545
C.Cotrino_Ene_2013 68
S es el signo, E es el exponente
y M es la fracción de la mantisa.
http://www.h-schmidt.net/FloatConverter/IEEE754.html
En HART, los bytes son enviados desde el más significativo al menos
significativo.
35
Usuario : DDL
• El uso de un protocolo común de comunicaciones no es
suficiente para asegurar una buena comunicación, ya
que cada instrumento posee características específicas
e individuales.
• El protocolo no permite acceder a cada una de estas
características.
• Esto significa que cada se requiere una actualización de
software para acceder a las funciones del nuevo
dispositivo de campo, lo cual implica tiempo y costos
adicionales.
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Usuario : DDL
• Intercambiabilidad implica usar únicamente los
comandos universales y de práctica común.
• Más información del dispositivo o
funcionalidades especiales no se pueden
manipular con los comandos anteriores.
• DDL: “Device Description language” fue
desarrollado para resolver estos problemas.
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Usuario : DDL
• DDL permite al fabricante describir:
• Los atributos e información adicional del
dispositivo.
• Todos los estados operacionales del dispositivo.
• Todos los comandos y parámetros del
dispositivo.
• Toda la estructura del menú de las operaciones
y funciones del dispositivo.
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Usuario : DDL3
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38
Aplicaciones HART3
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Aplicación de rango dividido
Equipos: Multiplexores
• Conecta varios esclavos a un solo
maestro.
• Es maestro para los lazos HART
• Es esclavo para el maestro de toda la red.
• Cuidado con la velocidad de respuesta!!
• El número de dispositivos depende de la
capacidad del mux.
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Multiplexores
• La dirección del dispositivo es cero
• El mux conecta al maestro con solamente
a un esclavo a la vez.
• El número de dispositivos depende de la
capacidad del mux.
• Cuidado con la velocidad de respuesta!!
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Multiplexores
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Multiplexores
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Multidrop
• Modo “Multidrop” para transmisores.
• Sólo comunicación digital.
• Valor digital de la variable de proceso (IEEE 754
FP)
• Corriente : menos de 4 mA y sólo para
energizar el transmisor.
• Hasta 15 transmisores
• No se emplea para actuadores
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41
Multidrop4
• Update rate is very slow
• You have to design the network.
• For a multi-drop of two devices, the
update rate will be once per second.
• As the number increases, the update rate
increases too.
• This is not acceptable in time critical
applications
C.Cotrino_Ene_2013 81
Multidrop4
• To design a HART multi-drop network, you have
to know:
• electrical characteristics of the wire being used
• start-up current of all devices
• steady state current of all devices
• minimum start-up voltage of all devices
• Type of power source of devices used (loop
powered or active source)
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Multidrop4
C.Cotrino_Ene_2013 83
Multidrop4
• Calculating the loop resistance and the RC value of the network is
going to be different depending on the mix of instruments.
• Sizing the HART (or Load) resistor is critical.
• The larger the value, the more noise immunity the network will
have.
• However, you have to:
• Ensure that the RC is not too large or you will not have HART
communications
• Verify that the voltage drop over the HART resistor is not too
large during startup. If the voltage drop is too large then the
instruments will not start up.
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Multidrop1
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Multidrop1
• Especificaciones de impedancia
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44
Multidrop4
• Note: When using SIMATIC PDM on a
HART multi-drop network, only one
instrument can be viewed at any one time.
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Referencias
1. R. Bowden. HART Technical Introduction and Integrators Guide.
Austin: HCF. 2007
2. HART Application Guide. HART Communication Foundation. 2005
3. SAMSON HART Communications. Technical Information. 1999
4. Siemens. Working with HART networks. APPLICATION GUIDE
AG012712
5. S.D. González. Tutorial para el aprendizaje del protocolo de
comunicaciones Industriales HART. Proyecto de Grado. Depto.
Ing. Electrónica. Facultad de Ingeniería. Pontificia Universidad
Javeriana. BOGOTÀ, 2008
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