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Tecnología de Equipos a prueba de Explosión

Salidas HART 
Salidas HART Nuevas perspectivas para HART
HART introducción
La Tecnología de una válvula HART
?En qué se diferencia la salida HART de otras salidas?
La necesidad de instalar un filtro
Diseño en Seguridad Intrínseca (S.I.) 
Multipunto y Multiplexor
Perspectivas: HART y el Fieldbus (Bus de Campo)
 
 
 
 
 
 

 

NUEVAS PERSPECTIVAS PARA HART

Por B.F. Grumstrup, M. Hagen*

El protocolo HART, en su condición de enlace entre la clásica tecnología de 4..20 mA y el futuro bus de campo, enteramente digital, estuvo con anterioridad limitado exclusivamente a las entradas analógicas con instrumentos de transmisión. El presente artículo trata de la extensión de HART que utiliza también salidas analógicas. Se presenta detalladamente la tecnología de salida HART con el ejemplo de un posicionador, en especial su conexión con salidas analógicas convencionales 4..20mA. También se exponen las nuevas soluciones adaptadas para la seguridad intrínseca. Una revisión de las opciones que utilizan los multiplexores HART en instalaciones de Seguridad Intrínseca (S.I. por sus siglas en inglés) culmina el tema tratado. 

Figura 1: Válvula con Posicionador Electro neumático HART

HART - Introducción

El protocolo de comunicación HART (HART= Transductor Remoto Direccionable de Alta velocidad, por sus siglas en inglés) fue introducido por primera vez por la compañía Rosemount Inc. en 1986 como un estándar de Diseño exclusivo para la comunicación de transmisores. Poco después de su introducción, Rosemount decidió permitir su acceso para uso por parte de otros fabricantes. Desde esa fecha, ese protocolo ha adquirido amplia popularidad, y ahora constituye uno de los estándares de facto de mayor desarrollo para la instrumentación de campo de procesos. En la actualidad, más de 60 fabricantes ofrecen productos con el protocolo HART. El estándar está regulado en el presente y puede adquirirse en la HART Communication Foundation (HCF), un consorcio de proveedores y usuarios de HART.

El motivo de la aceptación obtenida por el protocolo se debe a las ventajas que ofrece HART al usuario. Es un protocolo de comunicación que puede usarse en los existentes sistemas de control de 4-20 mA con gastos mínimos para su implementación. Pueden utilizarse los actuales cableados de campo y las Salidas y Entradas de sistemas de control. Debido a que HART combina la señalización analógica y digital, el protocolo ofrece un control notablemente rápido de la variable primaria y permite la transmisión simultánea de información que no sea de control.

HART usa una técnica de codificación por modificación de frecuencia (SFK, por sus siglas en inglés) para sobreponer comunicación digital en el bucle de corriente de 4-20 mA que conecta el instrumento de campo con el sistema de control. Se utilizan dos frecuencias (1.200 Hz y 2.200 Hz) para representar un 1 y un 0 binarios. (Ver Figura 2).

Estos tonos se sobreponen a la señal DC a un bajo nivel. La señal AC tiene un valor promedio de cero. Por ello, no se registra ningún cambio de DC en la señal existente de 4-20 mA, independientemente de los datos digitales. En consecuencia, el instrumento puede seguir utilizando la señal analógica 4-20 mA para control de procesos y la señal digital para información que no sea de control. 

HART también ofrece la posibilidad de funcionar en multipunto, pudiendo conectarse hasta 16 instrumentos en el mismo par de líneas. Sin embargo, la señalización digital de HART alcanza 1.200 baudios, lo cual limita el número de aplicaciones que pueden utilizar el multipunto para control de procesos. La función multipunto de HART podría tener una efectiva aplicación como transmisor múltiple de temperaturas permitiendo la vigilancia del proceso. 

Figura 2: La señal de Comunicación FSK es súper impuesta en la señal analógica de 4..20 mA

La tecnología de una válvula HART 

Aunque los dispositivos de entrada HART (transmisores) han sido utilizados por varios anos, los dispositivos de salida HART (posicionadores) no se han usado por tanto tiempo. Existen ciertas diferencias básicas entre las entradas y salidas que han requerido de nuevas tecnologías para el desarrollo de dispositivos de salida HART.

Los instrumentos instalados en válvulas han empleado normalmente corriente de 4-20 mA para señalización y suministro de energía. De modo característico, el instrumento instalado en válvulas también debe proporcionar una señal neumática de control a un actuador de diafragma o de pistón para operar la válvula. Dentro del instrumento debe ocurrir una conversión de corriente a presión neumática (I/P por sus siglas en inglés). Un sencillo diagrama de bloque (Ver Figura 3) ilustra el control interno. 

La retroalimentación (feedback) se utiliza para controlar la posición final de la válvula y el actuador. Los convertidores I/P empleados en instrumentos analógicos han requerido generalmente de una excesiva cantidad de energía eléctrica para su uso en un instrumento que también utiliza un microprocesador para control y comunicación. A fin de resolver este problema, tuvo que desarrollarse una tecnología de conversión I/P a baja potencia. Para ofrecer un desempeño óptimo en aplicaciones de control de procesos - minimizando la variabilidad del proceso, este convertidor I/P también debe tener una respuesta dinámica y solidez óptimas.

Figura 3: Diagrama de bloques de un posicionador HART

?En qué se diferencia la salida HART de otras salidas?

A diferencia de un transmisor, un instrumento de válvula analógica está diseñado para ofrecer una baja impedancia en el campo y recibir la señal de 4-20 mA, no controlarla. Cuando se reemplaza un instrumento de válvula analógica con un dispositivo basado en HART, éste debe permitir la vigilancia de la corriente y proporcionar la circuitería de control de corriente. Esta circuitería se utiliza para vigilar la señal de 4-20 mA (DC) para control de válvulas. También debe permitir la vigilancia y control de corriente a 1.200 y 2.200 Hz para señalización digital. 

Otra diferencia que presentan los dispositivos de salida HART es el Diseño del sistema de control al cual están conectados. Los canales de entrada analógica que se usan con transmisores son diseñados generalmente como una fuente de voltaje con un sensor de resistencia en la ruta de retorno. (Ver Figura 4). La impedancia de 250 Ohm de este canal de entrada es apropiada para la comunicación HART al igual que para la detección de corriente analógica y ofrece longitudes óptimas de cable. En el caso de un instrumento instalado en una válvula conectado a un canal de salida analógica (SA), la situación es distinta. El instrumento debe presentar la menor impedancia para la vigilancia de la corriente de bucle y el canal SA debe presentar la mayor impedancia para la comunicación HART. 

Los canales de salida analógica han sido diseñados en una variedad de formas. Algunos presentan características de alta impedancia en frecuencias HART y otros muestran características de baja impedancia en frecuencias HART. Los canales de salida analógica también pueden generar transientes de corrientes que interfieren con las comunicaciones HART.

Figura 4: Entrada analógica convencional a un DCS para un transmisor de 2 alambres

La necesidad de instalar un filtro

Un Diseño SA de baja impedancia o con interferencia de ruido podría afectar significativamente o impedir la comunicación HART. A fin de resolver este problema para instalaciones DCS existentes, se puede colocar un sencillo filtro activo (Ver Figura 5) en el canal de salida.

Este filtro suministra una alta impedancia de salida en las frecuencias de comunicación HART al tiempo que permite el paso de la señalización de 4-20 mA. Una segunda función del filtro es uniformar el paso de la corriente del sistema DCS que de otra manera podrían distorsionar un mensaje HART. Con unos cuantos sistemas de control existentes, el canal de salida analógica tiene una "lectura" de corriente para vigilar la corriente que se envía al instrumento en la válvula. La comunicación HART podría generar errores en esta lectura. El filtro ofrece un método conveniente para eliminar igualmente este potencial problema.

Los instrumentos instalados en válvulas HART proporcionan numerosos beneficios, que anteriormente no eran factibles para los usuarios. Ofrecen una perspectiva en tiempo real de las condiciones de operación en la válvula, entre ellas: la posición del guía de la válvula, la corriente de entrada analógica y la presión del actuador. También permiten el diagnóstico en el tablero de control para efectuar un análisis de válvula/actuador.

Esta información es esencial para establecer un programa de mantenimiento pro activo y eliminar problemas antes de que influyan en el proceso. Al igual que con los transmisores, el uso de software basado en Windows puede suministrar esta información sin tener que ingresar a áreas de riesgo o de difícil acceso.

Figura 5: Un posicionador HART es conectado a una salida analógica convencional de un DCS a través de un filtro.

 

Figura 6 : Ejemplo de información de diagnóstico utilizando un computador

Diseño en Seguridad Intrínseca (S.I.) 

La protección contra explosiones de "Seguridad Intrínseca" se diseña generalmente de manera tal que una interfase S.I. esté conectada entre la salida analógica DCS y el posicionador. Durante la fase de ingeniería, es necesario asegurarse de que las funciones requeridas del circuito no sean afectadas por la interfase de S.I. y que no se superen los valores del límite de seguridad. 

En términos de la salida HART, esto significa que la interfase S.I. debe transferir la señal 4...20 mA de DCS al posicionador , permitir el paso de la señal HART-FSK en ambas direcciones, y que en mayor medida no esté atenuada. Además, se puede mejorar el funcionamiento del filtro HART con su incorporación en la interfase de S.I.

Si el posicionador se operara con salidas analógicas convencionales de 4...20 mA, por ejemplo, que no están especialmente equipadas para la comunicación HART, la interfase de S.I. también deberá incorporar conexiones apropiadas para un terminal manual o módem. En campo, debería poder conectarse un HHT aprobado para S.I.; de modo alternativo, en el área correspondiente al DCS debería poder conectarse un HHT o un Módem (Ver Figura 7)

Para el sencillo circuito de Seguridad Intrínseca considerado en este trabajo, el Diseño se efectúa en términos de los valores máximos de seguridad (Ver Figura 8). Estos valores máximos están especificados en la interfase y en las certificaciones del posicionador.

Si existe la posibilidad de usar un HHT en el área peligrosa, debe tomarse en cuenta que desde el punto de vista de la Seguridad Intrínseca hay una interconexión de dos dispositivos activos. Asimismo, la interconexión no debe superar los valores máximos del posicionador. Por ejemplo: Si Im HHT(out) = 5 mA e Im Interfase I. S. (out) = 105 mA, entonces Imax posicionador (in) debe ser igual o mayor que 110 mA. 

Figura 7: Posicionador HART con aislador galvánico S. I. comunicación en el circuito S. I. o por medio del aislador

 

Posicionador

 

Interfase S. I.

Umax

Imax

Pmax

Ci

Li

mayor ó igual

mayor ó igual

mayor ó igual

menor ó igual

menor ó igual

Um

Im

Pm

Ca

La

Umax, Imax,Pmax, Ci y Li son los valores máximos (parámetros de entrada) del posicionador   Um, Im, Pm, Ci y Li son los valores máximos de seguridad (parámetros de salida) de la interfase S. I.

Figura 8: diseño de seguridad intrínseca utilizando comparación de los valores máximos de seguridad

Multipunto y Multiplexor

La conexión de punto a punto de una válvula HART como la descrita con anterioridad, posiblemente con el uso de una interfase de Seguridad Intrínseca, es el método más sencillo - y desde el punto de vista de la seguridad intrínseca - también el más directo. Su uso es apropiado sólo si se operan válvulas HART individuales en una instalación o si las válvulas pueden operarse directamente en salidas compatibles con HART. Tales salidas DCS pueden obtenerse en la actualidad en el mercado. La interfase de Seguridad Intrínseca convencional para salidas analógicas no es en general adecuada para salidas HART debido a los cocientes de impedancia.

Además de la conexión de punto a punto, se pueden diseñar otras estructuras para circuitos de campo intrínsecamente seguros. Normalmente, éstas son de particular interés cuando solo se pueden usar salidas analógicas convencionales para un gran número de salidas. 

La configuración multipunto, ampliamente conocida en los transmisores HART, también puede utilizarse con posicionadores (Ver Figura 9). Multipunto significa que todos los transmisores reciben una corriente constante de 4 mA; un posicionador puede utilizar una cantidad un poco mayor de corriente, por ejemplo, 5...6 mA, debido al consumo de energía técnicamente factible. La señal "analógica" sólo se utiliza para objetivos de suministro de energía. El valor de medición de un transmisor o el punto fijado de un posicionador sería entonces transmitido digitalmente. Las propiedades físicas de HART limitan la velocidad aproximadamente a una variable de proceso por segundo.

Esto puede mejorarse con la combinación de dos modos de operación: el punto fijado es transmitido con la velocidad de una señal analógica de 4...20 mA; toda la información restante es transmitida vía multipunto FSK a través de un módem HART de simple canal. Esto requiere de la disponibilidad de un filtro HART o una interfase de Seguridad Intrínseca que tenga un puerto de comunicación exclusivamente para la señal FSK (Ver Figura 10). De esta manera pueden accesarse desde una PC central un pequeño número de válvulas con direcciones HART 0,1... 

Si ha de controlarse un número grande de unidades HART desde una central, puede emplearse un multiplexor HART. Debido a que sólo se alimenta la señal FSK a través del multiplexor, la señal de 4...20 mA es asequible para uso general del DCS. Las entradas y salidas pueden mezclarse de manera completamente arbitraria, debido a que no existe diferencia desde el punto de vista de las comunicaciones tanto si la unidad de campo representa una entrada o una salida. Una PC permite la ejecución de la configuración, mantenimiento y actividades de calibración (Ver Figura 11).

Cuando se utilizan estaciones de campo en áreas de riesgo, puede resultar ventajoso el uso de un multiplexor HART (Ver Figura 12).

Estas variables de proceso no se intercambian en este caso como en las señales de 4...20 mA, sino en serie entre el DCS y una estación de campo. Se proporciona un enlace en serie para la comunicación HART. Los aisladores especiales de Seguridad Intrínseca también permiten una operación intrínsecamente segura de la transmisión de datos.

Figura 9: Posicionadores HART en Multipunto

 

Figura 10: Combinación de señales 4..20 mA con multipunto FSK

 

Figura 11: Multiplexor HART sin Seguridad Intrínseca

 

Figura 12: Multiplexor HART en una estación de campo

 

Perspectivas: HART y el Fieldbus (Bus de Campo)

La alta velocidad, el multipunto, todos los protocolos digitales que son desarrollados por la Fieldbus Foundation no significan el fin de HART. El Fieldbus (bus de campo) será el catalizador de una nueva arquitectura de sistemas de control y permitirán al usuario decidir dónde ocurrirá el proceso de control. Los dispositivos de campo HART permiten a los usuarios aprovechar los beneficios del diagnóstico y vigilancia que ofrece el Fieldbus con su actual sistema de control. Con más de medio millón de dispositivos HART utilizados hoy en día en el campo, esta tecnología tendrá todavía vigencia por bastante tiempo.


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