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Analisis del desempeno del protocolo HART sobre par trenzado en diferentes configuraciones.

Performance analysis of the HART protocol over twisted pair in different configurations

1 . INTRODUCCION

Se habla en todo el mundo acerca de la automatizacion de las industrias de manufactura y de procesos mediante la utilizacion de redes en los niveles de celda, estacion y maquina. Los apelativos que reciben estas redes son diversos: fielbuses o buses de campo, redes industriales (industrial networks), buses industriales, redes de piso de planta (factory floor networks), etc. Las redes industriales, en esencia, permiten que multiples dispositivos utilicen el mismo medio fisico para intercambiar informacion en formatos digitales; se logra con ello disminuir el cableado, incrementar la cantidad y calidad de informacion que puede entregar cada aparato, facilitar las tareas de configuracion y diagnostico de los mismos, permitir rapida reconfiguracion del sistema y, en algunos casos, flexibilizar la asignacion de tareas de control entre los diferentes dispositivos conectados a la red.

El proposito fundamental del protocolo HART no era la conformacion de redes. En su genesis, sus creadores idearon la forma de dotar a los equipos convencionales cuya salida es analoga en un rango de 4 a 20 mA, con la capacidad de entregar y recibir informacion adicional por medio de una senal digital transportada en forma simultanea y sobre los mismos hilos de la senal analoga; para poder acceder a la senal digital, debia utilizarse una terminal de mano. Los usuarios aceptaron esta iniciativa, teniendo en cuenta que era perfectamente compatible con sus sistemas instalados, y por el contrario, rechazaron en principio cualquier formato completamente digital que los amarrara a un fabricante particular. Asi, las tecnicas digitales permitian almacenar dentro del equipo informacion sobre el fabricante, el sensor, el proceso y las variables, ademas de incluir tecnicas sencillas de procesamiento de la senal, lo que impulso de forma dramatica la masificacion del protocolo.

En este articulo se presentan de forma breve las caracteristicas basicas del protocolo HART, se analiza el desempeno del protocolo en diferentes condiciones de operacion y finalmente se hace una discusion sobre lo que podria ser el futuro del protocolo HART.

1.1. Principales Caracteristicas del protocolo HART

En el ambiente de la automatizacion la mayoria de los ingenieros e instrumentistas saben que HART es un protocolo de comunicaciones que superpone informacion digital a la senal de 4 -- 20 mA usada por transmisores y actuadores propios del control de procesos, como se ilustra en la Fig. 1. Sus caracteristicas mas difundidas son:

* La informacion digital se modula en frecuencia (FSK -- Frecuency Shift Keying) con 1200 Hz para representar el "1" y 2200 Hz para el representar el "0". Un adecuado filtrado evita que la senal digital interfiera sobre la informacion analoga.

* La transferencia de informacion se realiza de forma asincrona a 1200 bps. Cada caracter incluye bit de inicio, 8 ocho bits de datos, bit de paridad impar y un bit de parada, para un total de 11 bits por caracter. Una red HART se puede conectar al puerto serial o USB de un PC por medio de un dispositivo de interfaz, conocido como un modem HART (Fig. 2).

* La trama consta de un preambulo para efectos de sincronizacion de al menos 5 bytes, un caracter delimitador de inicio, un campo de direccion de 5 caracteres (un solo caracter para el comando 0), un caracter que indica el comando o servicio, un byte para el conteo de los datos, los datos asociados al servicio y, finalmente, un byte de chequeo de errores.

* A pesar de ser un protocolo del tipo maestro -- esclavo, es posible la coexistencia de dos maestros, caracteristica util en la industria, dado que un operario puede conectar una terminal de mano al instrumento de campo en cualquier momento para cambiar sus parametros o verificar su funcionamiento, mientras se mantiene la comunicacion con un sistema supervisor.

* Los comandos se clasifican en tres categorias. Los comandos universales y de practica comun estan completamente especificados por la Fundacion de Comunicacion HART (HART Communication Foundation -- HCF); los universales son de implementacion obligatoria mientras que los de practica comun son opcionales. Los comandos especificos son definidos por el fabricante para cada equipo particular.

* Al conectar varios dispositivos en red, la rata de actualizacion de las variables disminuye conforme aumenta la cantidad de dispositivos.

[FIGURA 1 OMITIR]

[FIGURA 2 OMITIR]

Las caracteristicas del protocolo HART lo hacen especialmente util durante la configuracion inicial del equipo y durante rutinas de mantenimiento, dado que permite acceder a todos los parametros y suministra informacion sobre el estado del aparato. Salvo las limitaciones impuestas por la rata de actualizacion de las variables, no existe impedimento para mantener comunicacion permanente entre el equipo de campo y un host para efectos de mantenimiento, supervision o para el control del proceso.

Entre las caracteristicas menos conocidas o que son causa de confusion, estan:

* La capacidad de transferencia de datos en modo rafaga (burst mode), en el cual el esclavo transmite informacion sin solicitud previa por parte del maestro. Su implementacion es opcional (por medio de comandos de practica comun) y solo un dispositivo de la red puede estar operando en este modo.

* La posibilidad de colocar multiples dispositivos en paralelo para conformar una red, en la cual cada equipo puede ser configurado y monitoreado independientemente, ademas de suministrar las respectivas variables de proceso.

* La capacidad de incluir algoritmos de control como PID en los dispositivos de campo. En tal caso, la senal de 4-20 mA que entrega el dispositivo de campo esta dirigida al elemento actuador. Pueden conectarse varios lazos de control en red, como se muestra en la Fig. 3. Esta caracteristica es implementada por medio de comandos especificos.

* La capacidad de comunicar en forma permanente variables adicionales a la variable primaria. Se pueden seleccionar hasta 4 variables dinamicas entre todas las variables de dispositivo. Las primeras se pueden conocer con comandos universales, mientras que las segundas requieren el uso de comandos de practica comun. La Fig. 4 ilustra la relacion entre estos dos tipos de variables.

* La aparicion de HART inalambrico en la revision 7 del protocolo, con capa fisica basada en la norma IEEE STD 802.15.42006, lo que garantiza chips de bajo costo y multiples fabricantes. Esta capa fisica permite la conformacion de redes tipo malla, con transmision de datos a razon de 250 kbps y una carga util de hasta 127 bytes [1].

[FIGURA 3 OMITIR]

[FIGURA 4 OMITIR]

[FIGURA 5 OMITIR]

1.2. Forma de operacion del protocolo con transmisores de proceso

Durante la emision de la trama de solicitud por parte del maestro (handheld, PC, PLC u otros), se generan las senales modulando el voltaje. Del analisis por leyes de Kirchoff de la Fig. 5(a) se puede verificar que las variaciones de voltaje aparecen en terminales del dispositivo de campo, ya sea que el maestro se conecte en paralelo con este o con la resistencia del lazo. Para la generacion de la respuesta, el transmisor de proceso superpone la corriente modulada a la de 4-20 mA, lo cual ocasiona tambien variaciones en el voltaje que pueden ser detectadas por el maestro, lo cual se aprecia en la Fig. 5(b).

1.3. Tecnica de control de acceso al medio

En una red HART pueden convivir dos maestros, un dispositivo esclavo en modo rafaga y un numero de esclavos que no esten en modo rafaga. Un esclavo en modo rafaga se comporta como un maestro, dado que puede tomar la iniciativa para enviar mensajes sin solicitud previa. Todos los posibles casos seran considerados a continuacion bajo el supuesto de que los mensajes de solicitud constan de 14 bytes y los de respuesta de 21 bytes (lo cual concuerda con el formato de trama para el comando 1 con 5 bytes de preambulo) y que no se presentan errores de comunicacion.

La definicion de la subcapa de control de acceso al medio (MAC -- Medium Access Control) [2] presenta los diagramas que aparecen en la Fig. 6. El primero corresponde a las reglas de asignacion del medio en ausencia de un dispositivo en modo rafaga y el segundo, cuando esta presente uno de tales dispositivos. A manera de ejemplo con el diagrama inferior, el maestro primario envia un mensaje tipo solicitud (STX1), con lo cual el derecho a usar el medio pasa al esclavo direccionado en el mensaje. La trama del esclavo es del tipo respuesta (ACK1), y hace que el derecho a usar el medio sea del dispositivo en modo rafaga, el cual envia su trama tipo rafaga (BACK2), despues de la cual el derecho a usar el medio es del maestro secundario.

[FIGURA 6 OMITIR]

La especificacion indica que el mecanismo de acceso es paso de testigo implicito; esto significa que en realidad el testigo no existe en forma de una secuencia binaria particular, como si ocurre con el paso de testigo clasico. El testigo es indicado por el tipo de mensaje y la direccion del maestro, lo que significa que la operacion correcta del MAC depende de la identificacion de:

* actividad sobre la red;

* el tipo de trama y la direccion del maestro para determinar el paso del testigo; y

* el final de un mensaje, para saber cuando comenzar una nueva transmision.

La ausencia o corrupcion de cualquiera de los mensajes mostrados en los diagramas produciria la perdida del testigo, razon por la cual son definidas ventanas de tiempo para la emision de mensajes de tipo solicitud (STX), respuesta (ACK) o rafaga (BACK).

Los tiempos maximos para generar los mensajes son determinados por las constantes HOLD, STO, RT1(primario), RT1(secundario) y RT2, que aparecen en la Fig. 7.

2. METODOLOGIA

2.1 . Analisis de desempeno en diferentes configuraciones

Con los diagramas de la Fig. 6, los diagramas de estados para operacion de maestros [2] y esclavos y los valores de los tiempos establecidos para la capa fisica FSK, se ha construido el diagrama de la Fig. 7, el cual ilustra todas las posibles situaciones en una red HART con actividad continua o "sincronizada", de acuerdo con la definicion de la especificacion.

Caso (a): actividad continua de los dos maestros.

Acatando las reglas de acceso al medio, los maestros se alternan el uso del medio sin ningun tipo de privilegios. El tiempo de actualizacion de una variable en cualquiera de los maestros estaria dado por:

Tac = 2.Tstx+2.Tack+2.Tas+2.Tsa

Los tiempos que toma el envio de las tramas de los tipos STX, ACK y BACK son:

Tstx = (11 bits/caracter * 14 caracteres)/1200 bits/s = 128 ms

Tack = Tback = (11 bits/caracter * 21 caracteres)/1200 bits/s = 193 ms

Tas es el tiempo permitido al maestro que obtiene el testigo para que haga uso del medio y no puede ser superior a 20 ms . Tsa es el tiempo disponible para que un esclavo responda la solicitud hecha por un maestro y no puede superar los 256 ms .

Se llega entonces a una solucion optimista cuando Tas y Tsa se consideran nulos y a una pesimista cuando se toman sus valores maximos.

[FIGURA 7 OMITIR]

Tac min = 642 ms

(Fac max = 1/Tac min = 1.56 sps)

Tac max = 1194 ms

(Fac min = 1/Tac max = 0.84 sps)

Si bien el tiempo Tas puede ser muy cercano a cero, Tsa en la mayoria de los casos no lo es, debido a que los esclavos generalmente tienen recursos mas limitados y deben efectuar procedimientos medianamente complejos para generar una respuesta. Asumiendo Tas=0 y Tsa=128 ms, un tiempo de actualizacion que aproxima mejor las situaciones reales seria:

Tac = 898 ms (Fac = 1/Tac = 1.11 sps)

Caso (b): actividad continua de un solo maestro.

En este caso el tiempo de actualizacion de una variable en el maestro esta dado por:

Tac = Tstx+Tack+Tsa+Tass

Una vez terminada la respuesta del esclavo, el testigo es propiedad del otro maestro durante el tiempo HOLD. Para el caso considerado, se generara un time -- out ante la ausencia de este. El tiempo Tass es necesariamente superior a HOLD y la norma lo establece en 75 ms como minimo. Por tanto:

Tac min = 396 ms

(Fac max = 2.53 sps)

Tac max = 833 ms

(Fac min = 1.20 sps)

Se puede esperar que el maestro tenga lista su nueva solicitud al cabo de 75 ms. El tiempo de actualizacion real estaria alrededor de:

Tac = 524 ms (Fac = 1.91 sps)

Caso (c): entrada en modo rafaga sin solicitudes posteriores de los maestros.

La entrada en modo rafaga se produce cuando un maestro envia a un esclavo el comando 109. El esclavo debe generar el mensaje de respuesta al comando e inmediatamente despues, enviar su primera trama tipo rafaga. La especificacion recomienda no mediar mas de un tiempo de bit entre estas dos tramas, debido a que los maestros deben saber lo mas rapido posible que un esclavo ha empezado a operar en este modo, lo que representa el cambio del diagrama superior al inferior de la Fig. 6.

El desempeno de un esclavo en modo rafaga sin solicitudes de maestros es:

Tac = Tback + Tbb

Tac min = 268 ms

(Fac max = 3.74 sps)

Tac max = 449 ms

(Fac min = 2.23 sps).

Para hacer una mejor aproximacion a la realidad se tomaran 128 ms como intervalo requerido para la generacion de una nueva trama, lo que produce:

Tac = 321 ms (Fac = 3.12 sps)

Caso (d): dos maestros y dispositivo en modo rafaga.

Se constituye en el caso mas critico posible si no se considera la presencia de fallas. La velocidad de actualizacion de la variable del dispositivo en modo rafaga es exactamente el doble de la de las variables de los maestros, asi que se calculara la primera.

Tac = Tback+Tstx+Tack+Tbs+Tsa+Tab

Siguiendo la misma mecanica:

Tac min = 514 ms

(Fac max = 1.95 sps)

Tac max = 810 ms

(Fac min = 1.23 sps)

Tomando Tbs y Tab nulos y Tsa como 128 ms resulta:

Tac = 642 ms

(Fac = 1.56 sps)

Caso (e): dos maestros y dispositivo en modo rafaga con ausencia de respuesta del esclavo.

Con este caso se quiere observar el efecto de la ausencia de respuesta por parte de un esclavo, bajo condiciones similares a las del caso (e). La velocidad de actualizacion de la variable del dispositivo en modo rafaga ya no se efectua a una rata constante, pues de acuerdo con la Fig. 7, cuando el maestro secundario hace su solicitud, la ausencia de respuesta modifica el tiempo entre tramas tipo rafaga. Se puede entonces obtener una velocidad media asi:

Tac=Tback+Tstx+Tbs + 1/2 (Tack+Tsa+Tab+Tsb)

Tac min = 570 ms

(Fac max = 1.76 sps)

Tac max = 733 ms

(Fac min = 1.37 sps)

Con la velocidad de respuesta supuesta para los esclavos:

Tac = 634 ms (Fac = 1.58 sps)

No hay decremento en la rata de actualizacion del dispositivo en modo rafaga debido a que el tiempo adicional de espera es compensado por el tiempo de la trama de respuesta no enviada.

Caso (f): un solo maestro y dispositivo en modo rafaga.

En este caso la velocidad de actualizacion de la variable del dispositivo en modo rafaga tampoco es constante, pero en promedio, duplica a la de la variable del maestro presente.

Tac = Tback+ 1/2 (Tstx+Tack+Tbs+Tsa+Tab+Tbb)

Tac min = 391 ms

(Fac max = 2.56 sps)

Tac max = 630 ms

(Fac min = 1.59 sps)

Con la velocidad de respuesta supuesta para los esclavos:

Tac = 455 ms (Fac = 2.20 sps)

La Tabla 1 resume las frecuencias de actualizacion en muestras por segundo de los casos analizados. Las columnas Fac max y Fac min muestran las frecuencias de actualizacion maxima y minima de la variable que mas se actualiza en cada caso (sombreadas en la tabla). Bajo la columna Fac real contiene las frecuencias de actualizacion estimadas para la variable rafaga y las variables de los maestros, segun el caso.

2.2. Verificaciones experimentales

Los experimentos realizados en Laboratorio de Comunicaciones Industriales de la Universidad del Valle, usando el transmisor de caudal Siemens SITRANS FM MID Intermag 2, el transmisor de temperatura SMAR TT301, el transmisor de nivel Drexelbrook 509 -- 15 -- X09, el transmisor de temperatura ABB -- TH02, el transmisor de presion Moore 340D y el software desarrollado en el mismo laboratorio [3], permitieron contrastar algunos de los valores reales con los supuestos en la discusion anterior. Estos datos se consignan en la ultima columna de la Tabla 1.

3. COMPONENTES DEL SISTEMA RACK

Las pruebas de laboratorio arrojan como conclusiones las siguientes:

* en general los tiempos de respuesta de los esclavos a las solicitudes del maestro (Tsa) son menores a los 128 ms considerados en los calculos, ubicandose entre 0 y 60 ms;

* en ningun caso los tiempos permanecen constantes; es asi como un mismo equipo puede generar su respuesta antes de que se desactive la portadora de la solicitud o pueden transcurrir hasta 60 ms antes de empezar a transmitirla;

* el tiempo entre tramas tipo rafaga (Tbb) tiene una variabilidad menor. Solo el transmisor Siemens tiene habilitada esta caracteristica y el tiempo entre tramas tipo rafaga estuvo entre 115 y 120 ms .

El desempeno del caso (a) con dos maestros, es 16% superior al del (b) en el que hay un solo maestro. Seria entonces una buena medida que el programa del host tuviera como opcion el comportamiento simultaneo (no excluyente) como maestro primario y secundario, para habilitarlo en aquellos casos en los que se tiene la seguridad de que no va a ser usada una terminal de mano en campo o cualquier otro tipo de maestro secundario. Esta situacion se repite cuando hay un dispositivo en modo rafaga, pues se podria igualar la rata de actualizacion de la variable del maestro a la del dispositivo en modo rafaga (1.56 sps en el caso (d) de la Tabla 1).

3.1. Panorama del protocolo HART

A pesar de tener la mayor base instalada de equipos en todo el mundo [4][5], el protocolo HART no ha sido utilizado en todo su potencial y los usuarios siguen con la percepcion de que es tan solo una herramienta util para la configuracion inicial y para verificacion esporadica de equipos. Han sido grandes pero infructuosos los esfuerzos que ha hecho la HCF para erradicar esta idea y ya se nota un mayor crecimiento de otros protocolos como Foundation Fieldbus y Profibus -- PA en aplicaciones en las que HART es una opcion viable.

Buscando subsanar una de las principales deficiencias del protocolo, la cual es su baja velocidad, y simultaneamente tratando de eliminar todos los mitos a su alrededor [6], que estan favoreciendo a los protocolos competidores, la HCF omitio un escalon en la evolucion del protocolo y determino la definicion de la capa fisica inalambrica, con todas las modificaciones que ello implica en las demas capas. Aunque drastica, esta decision obedece a la marcada tendencia del mercado de la electronica de consumo e industrial hacia el uso de tales tecnologias.

La aparicion de WirelessHART como el primer protocolo inalambrico estandarizado podria ser la oportunidad para modificar su decreciente posicionamiento, mas sin embargo, la premura por lanzar WirelessHART para competir con proveedores de transmisores inalambricos, engendro su incompatibilidad con la familia de estandares ISA SP100, aun en desarrollo, la cual tiene como objetivo el establecimiento de normas y otro tipo de informacion que definan procedimientos para implementar sistemas inalambricos en los ambientes de automatizacion y control, enfocados al nivel de piso de planta [7].

La resistencia natural de los usuarios a introducir tecnologias inalambricas por cuestiones de confiabilidad y seguridad, es otro factor que juega en contra de WirelessHART, dado que se da tiempo a la aparicion de nuevos protocolos, algunos de los cuales seran compatibles con SP100. Muy seguramente, la HCF tendra que modificar la especificacion para lograr tambien esta compatibilidad.

Al margen de todos los problemas que pueda afrontar el protocolo frente al mercado, es previsible que ademas de mantenerse, tome nuevo impulso con la tecnologia inalambrica debido a que representa una solucion confiable y abierta, y detras de su desarrollo hay grandes inversiones por parte de gigantes de la automatizacion industrial como Emerson Process Management, Siemens, Yokogawa, ABB y Honeywell.

4. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

HART representa una creativa forma de incluir tecnicas digitales en sistemas analogicos, que facilita las tareas de configuracion, calibracion, diagnostico, mantenimiento y administracion de equipos de campo para control de procesos.

La principal limitacion del protocolo es la velocidad de comunicacion que, como se ha demostrado, en el mejor de los casos y bajo condiciones ideales permite obtener 3.7 muestras por segundo de una variable.

La tecnologia HART ha evolucionado permanentemente desde su creacion en 1986, a tal punto que la revision 7 del protocolo establece las condiciones necesarias para la conformacion de redes inalambricas en entornos industriales. Se espera que esta nueva alternativa impulse nuevamente el uso del protocolo y se convierta en competencia real para Foundation Fieldbus y Profibus PA.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Wireless HART Technical Datasheet, HCFLIT89. Revision 1.0B. HCF, 2007. http://www.hartcomm2.org/hart_protocol/wireless_ hart/wirelesshart_datasheet.pdf

[2] HART Protocol Specification: Data Link Layer Specification, Revision 8.0, HCF, 2001.

[3] Barandica A., Arroyave F.J., Rodriguez M.A., Aplicacion software para el uso del protocolo HART de comunicaciones industriales, UIS Ingenierias, Vol. 7, No. 2, p 95, Abril 2009.

[4] Achieving Digital Integration Using the HART Protocol, HCF, 2002. www.cbeng.com/resources/whitepaper/BasicsofHA RT.pdf

[5] Richard Caro, Fieldbus: Where do we stand?, Intech, Vol. 54, No. 4, p 38, Abril 2007.

[6] Ronald B. Helson, Vasant V. Chaphekar, HART to Enterprise Connectivity, ISA Western Regional Conference & Exhibition, 2002.

[7] Daniel Sexton, SP100.11a Overview, ISA, 2007. http://tinyos.stanford.edu/ttx/2007/viewgraphs/stand ards -- sp100.pdf

Asfur Barandica Lopez (1)

(1) Escuela de Ingenieria Electrica y Electronica Universidad del Valle

* asfur.barandica@correounivalle.edu.co

Recibido 25 de Mayo de 2010. Aceptado 01 de Mayo de 2011

Received: May 25, 2010 Accepted: May 01, 2011
Tabla 1 .Resumen de frecuencias de actualizacion de variables en sps.

Caso   Fac max                         Fac real

                                Var.        Var.
                 Var. burst   maestro 1   maestro 2   Total

a       1.56         --         1.11        1.11      2.22
b       2.53         --         1.91         --       1.91
c       3.74        3.12         --          --       3.12
d       1.95        1.56        0.78        0.78      3.12
e       1.76        1.58        0.79         --       2.37
f       2.56        2.20        1.10         --       3.30

Caso   Fac min    Con datos
                     de
                 laboratorio

a       0.84      1.25-1.47
b       1.20      2.19-2.52
c       2.23      3.03-3.30
d       1.23      1.63-1.81
e       1.37      1.58-1.66
f       1.59      2.16-2.31
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Author:Barandica Lopez, Asfur
Publication:Energia y Computacion
Article Type:Report
Date:Dec 1, 2010
Words:4093
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