HART y IEEE 802.11ac

NTRODUCCION

El siguiente trabajo fue realizado por los 4 compañeros del equipo #2 en cual describimos los protocolos HART y IEEE 802.11ac: al cual dedicamos el tiempo de la clase del maestro Jaime Palacios para buscar información he irla ordenando según lo establecido.

HART

Nos dimos a la tarea de investigar que es el protocolo Hart el cual pensamos que es un protocolo muy potencial.

La mayoría de los dispositivos inteligentes de campo instalados alrededor del mundo son compatibles con HART. Pero algunos de los nuevos en el campo de la automatización pueden necesitar una actualización sobre esta poderosa tecnología.

En pocas palabras, el Protocolo HART (transductor remoto direccionable en red) es el estándar mundial para enviar y recibir información digital a través de cables analógicos entre dispositivos inteligentes y el sistema de control o de monitoreo.

HART es un protocolo bidireccional de comunicación que suministra acceso de datos entre instrumentos inteligentes de campo y sistemas centrales. Un sistema central puede ser cualquier aplicación de software desde el dispositivo de mano o laptop del técnico hasta el control de procesos de una planta, gestor de activos, seguridad u otro sistema que use cualquier plataforma de control.

VENTAJAS E HISTORIA DE HART

Muchos años de éxito y la obtención de estos beneficios explica por qué la tecnología HART es el más grande de todos los protocolos de comunicación, instalado en más de 30 millones de dispositivos en todo el mundo.

Una de sus funciones, la cual encontramos muy importante es la siguiente: Si usted ha usado una línea telefónica terrestre y observada la pantalla del identificador de llamadas para saber quién llama, ya conoce la mitad de lo que hace el Protocolo HART, identifica quién llama. En una red de automatización industrial “quién” es un dispositivo inteligente de campo basado en un microprocesador. Además de permitir que dichos dispositivos inteligentes de campo “llamen a casa”, la comunicación HART permite al sistema central enviar datos al instrumento inteligente.

HART surgió a finales de la década de 1980 sobre la base de la misma tecnología que llevó a la identificación de llamadas de telefonía analógica. Ha experimentado un desarrollo continuo, hasta e incluyendo los productos de automatización ya a la venta con función de comunicación HART inalámbrica integrada. Hay muchas ventajas por utilizar la tecnología HART y más usuarios están reportando beneficios en sus proyectos en forma continua.

BENEFICIOS DE USAR LA COMUNICACIÓN HART

Los ingenieros que operan en entornos de automatización análoga no necesitan mencionar las palabras “si sólo” como en “si sólo pudiera obtener la información del dispositivo sin tener que ir al sitio” o “si sólo pudiera cargar esta información de configuración de ese transmisor de presión a mi PC”.

Los usuarios alrededor del mundo que han obtenido los beneficios de comunicación HART saben que pueden tener visibilidad rápida y fácil a dispositivos en el campo al usar dispositivos de calibración, de prueba y computadoras portátiles equipadas con HART. De hecho, los diagnósticos, pruebas y configuración de dispositivos nunca han sido tan fáciles.

Sin embargo, muchos aún no han obtenido los mayores beneficios de la tecnología HART que resultan de conexiones de tiempo completo con la gestión en tiempo real de activos y/o sistemas de control.

La tecnología HART puede ayudar a:

  • Aprovechar las capacidades de un juego completo de datos de dispositivos inteligentes para mejoras operativas.

  • Tener advertencia temprana de variaciones en el rendimiento de dispositivos, productos o procesos.

  • Acelerar el tiempo de identificación y corrección de problemas entre el diagnóstico y la solución.

  • Validar en forma continua la integridad de los circuitos y estrategias del sistema de control / automatización.

  • Aumentar la productividad del equipo y disponibilidad del sistema.

  • Aumentar la disponibilidad de la planta.

  • Integrar dispositivos y sistemas para detección de problemas previamente no detectables.

  • Detectar en tiempo real problemas de conexión de dispositivos y/o procesos.

  • Minimizar el impacto de desviaciones al tener advertencias nuevas y oportunas.

  • Evitar el alto costo de paros o interrupción de procesos no programados.

  • Reducir los costos de mantenimiento

  • Verificación rápida y validación de circuitos de control y configuración de dispositivos.

  • Uso de diagnóstico remoto para reducir las pruebas de campo innecesarias.

  • Captura de datos de tendencias de rendimiento para diagnóstico de mantenimiento predictivo.

  • Reducción del inventario de refacciones y costos de administración de dispositivos.

  • Mejorar el cumplimiento reglamentario.

  • Activar la documentación automatizada para datos de cumplimiento.

  • Facilitar la prueba de paros automáticos de seguridad.

  • Elevar el nivel de integridad de seguridad (SIL) con diagnósticos avanzados.

  • Tomar ventaja de dispositivos inteligentes multivariables para informes más precisos y completos.

ESTRUCTURA DE HART Y CONEXIÓN ENTRE EQUIPOS USANDO ESTE PROTOCOLO

HART” es un acrónimo en inglés para Transductor Remoto Direccionable en Red. El Protocolo HART usa la norma Bell 202 Modulación por desplazamiento de frecuencia o MDF (FSK en inglés) para empalmar señales digitales de comunicación a bajo nivel sobre 4 a 20 mA.

La tecnología HART ofrece una solución confiable a largo plazo para operarios de planta que buscan los beneficios de dispositivos inteligentes con comunicación digital, que está incluida en la mayoría de los dispositivos en instalación. Sin embargo, en muchos casos, la mayoría de las aplicaciones no pueden actualizar sus sistemas de automatización existentes con un sistema que pueda aceptar los datos digitales suministrados por el Protocolo HART.

Debido a que hoy en día la mayoría de las redes de automatización en operación se basan en el cableado analógico tradicional de 4 a 20 mA, la tecnología HART desempeña un papel fundamental porque la información digital se comunicará al mismo tiempo con la señal de 4-20 mA. Si ésta, no habría comunicación digital.

La tecnología HART es fácil de usar y muy confiable cuando se usa para poner en servicio y calibrar dispositivos inteligentes así como para diagnóstico continúo en línea. Existen varias razones para que una unidad central se comunique con los dispositivos inteligentes. Éstas incluyen:

  • Configuración o reconfiguración del dispositivo

  • Diagnóstico del dispositivo

  • Identificación y corrección de problemas del dispositivo

  • Lectura de valores de medición adicionales suministrados por el dispositivo

  • Estado de operación y bienestar del dispositivo

MODULACIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA (MDF)

Esta modulación permite la comunicación bidireccional en campo y hace posible la transmisión de información adicional más allá de sólo las variables normales de proceso comunicadas de y hacia un instrumento inteligente de campo. El Protocolo HART se comunica a 1200 bps sin interrumpir la señal de 4 a 20 mA y permite a la aplicación central (maestra) obtener dos o más actualizaciones digitales por segundo de un dispositivo inteligente de campo. Ya que la señal digital MDF es de fase continua no hay interferencia con la señal de 4 a 20 mA.

La Tecnología HART es un protocolo maestro/servidor, lo cual significa que un dispositivo inteligente de campo (servidor) sólo habla cuando le habla un maestro. El Protocolo HART se puede utilizar en diversos modos, como punto a punto o multipunto para transmitir información hacia y desde los instrumentos inteligentes de campo y el control central o los sistemas de monitoreo.

La comunicación HART se produce entre dos dispositivos habilitados con HART, típicamente un dispositivo de campo inteligente y un sistema de control o monitoreo. La comunicación se produce mediante un cable de instrumentación de calidad estándar y el uso de prácticas de cableado y terminación estándar.

El protocolo HART proporciona dos canales de comunicación simultáneos: la señal analógica de 4 a 20 mA y una señal digital. La señal de 4 a 20 mA comunica el valor primario medido (en el caso de un instrumento de campo) con el circuito de corriente 4 a 20 mA, el estándar más rápido y más fiable de la industria. Información adicional del dispositivo se comunica mediante una señal digital que se superpone a la señal analógica.

La señal digital contiene la información del dispositivo incluyendo el estado del dispositivo, diagnóstico, valores medidos o calculados adicionales, etc. Juntos, los dos canales de comunicación proporcionan una solución completa de comunicación de campo muy robusta a bajo costo que es fácil de usar y configurar.

Dos canales de comunicación

El Protocolo HART suministra hasta dos maestros (primario y secundario). Esto permite usar maestros secundarios como comunicadores de mano sin interferir con las comunicaciones desde y hasta el maestro primario, es decir, el sistema de control / monitoreo.

Maestros primarios y secundarios

El protocolo HART permite toda la comunicación digital con los dispositivos de campo en configuración de red punto a punto o multipunto:

Configuración Punto a Punto

También hay una opción de modo de comunicación “ráfaga” donde un solo dispositivo servidor puede transmitir continuamente un mensaje de respuesta estándar HART. Con este modo de comunicación ráfaga opcional son posibles mayores tasas de actualización y el uso normalmente se limita a la configuración punto a punto.

Las características estándar de la tecnología Hart van desde la compatibilidad simple con las redes análogas de 4 a 20 mA existentes a una amplia selección de productos:

  • Compatibilidad con alambrado de 4 a 20 mA estándar

  • Transmisión simultánea de datos digitales

  • Simplicidad a través de interfaces por menús intuitivos

  • Reducción de riesgo a través de un protocolo robusto y preciso

  • Facilidad de implementación para máxima efectividad de costo “de entrada”.

  • Amplia selección de productos, con dispositivos compatibles y aplicaciones de software de la mayoría de los proveedores de automatización de procesos

  • Independencia de plataforma para interoperabilidad total en entornos multiproveedor.

  • Soporte alrededor del mundo por los principales proveedores

La mayoría de los principales proveedores de instrumentación de procesos y sistemas de control del mundo, que abarcan a la mayoría de las soluciones de la industria, ofrecen soporte activo para la tecnología HART. Hay más de 990 dispositivos registrados en 20 categorías de dispositivos manufacturados por más de 230 miembros de la Fundación de Comunicación HART.

ESPECIFICACIONES Y EXPLICACION DE LAS CAPAS DEL MODELO OSI EN HART

El Protocolo HART se desarrolló a finales de la década de 1980 y fue transferido a la Fundación HART a principios de la década de 1990. Desde entonces se ha actualizado varias veces. Cuando se actualiza el protocolo, se hace de manera que asegura la compatibilidad con versiones anteriores. La versión actual del Protocolo HART es la revisión 7.3. El “7” denota el nivel de revisión mayor y el “3” denota el nivel de revisión menor.

El Protocolo HART implementa la arquitectura jerárquica 1, 2, 3, 4 y 7 del modelo de protocolo de 7 niveles de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI):

Nivel Físico: HART está basado en la norma Bell 202, usa la modulación por desplazamiento de frecuencia (MDF) para comunicarse a 1200 bps. Las frecuencias de señal que representan los valores de bit 0 y 1 son 2200 y 1200 Hz respectivamente. Esta señal se superpone a un nivel bajo en la señal de medición analógica de 4 a 20 mA sin causar ninguna interferencia con la señal analógica.

Nivel de Enlace de Datos: HART define un protocolo maestro-servidor – en uso normal, un dispositivo de campo sólo contesta cuando le hablan. Puede haber dos maestros, por ejemplo, un sistema de control como maestro primario y un comunicador portátil HART como maestro secundario. Las reglas de tiempo definen cuando puede cada maestro iniciar una transacción de comunicación. Se pueden conectar hasta 15 o más dispositivos servidores a un par individual de cable multipunto.

Nivel de red: suministra enrutamiento, seguridad de punta a punta y servicios de transporte. Éste gestiona “sesiones” para comunicación de punta a punta con los dispositivos correspondientes.

Nivel de transporte: asegura que las comunicaciones sean propagadas correctamente de un dispositivo a otro. El Nivel de Transporte se puede usar para asegurar que la comunicación de punta a punta sea correcta.

Nivel de Aplicación: define los comandos, respuestas, tipos de datos e informes de estado respaldados por el Protocolo. En el Nivel de Aplicación, los comandos públicos del protocolo se dividen en cuatro grupos principales:

  • Comandos universales – suministran funciones que se pueden implementar en todos los dispositivos de campo.

  • Comandos de Práctica Común – suministran funciones comunes para muchos, pero no para todos los dispositivos de campo.

  • Comandos Específicos para Dispositivo – suministran funciones que son únicas para un dispositivo de campo en particular y son especificadas por el fabricante del dispositivo

  • Comandos para Familia de Dispositivos – suministran un juego de funciones estandarizadas para instrumentos con tipos particulares de medición y permiten el acceso genérico total sin usar comandos específicos para un dispositivo.

PROTOCOLO IEEE 802.11 AC:

Este tipo de protocolo es nueva versión de los estándares IEEE 802.11 desarrollado por NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) una compañía japonesa se espera que afínales de este mismo año cumpla con su total finalización y en próximo año 2013 empiecen a estar con sus primeros productos.

ESTRUCTURA Y FORMATO DEL PROTOCOLO:

Primeramente se ha logrado desarrollar utilizando 6 antenas para la emisión de datos y 3 antenas para la recepción, también ha logrado alcanzar una velocidad de 120 Mbps y se espera que logre un máximo de 1,3Gbps, tal es el caso de la empresa Quantenna Communications que ha lanzado la primera CPU que alcanza hasta los 2Gbps de transferencia inalámbrica, el chipset se llama QAC2300 y es el primero en trabajar con el IEEE 802.11ac, este nuevo dispositivo trabaja en con 4 antenas, la configuración es MIMO 4T4R, esto significa que cuenta con 4 antenas de transmisión y 4 antenas de recepción.

COMO HA EVOLUCIONADO ESTE PROTOCOLO EN CUESTIÓN:

Los consumidores deberán tener dispositivos cliente con 802.11ac para acceder a estas altas velocidades como teléfonos, tabletas, laptops y otros dispositivos construidos para los estándares IEE 802.11 funcionarán con un router 802.11ac que ha anunciado la empresa Netgear la cual ampliara el rango de video de alta definición, pero no llegarán a un desempeño óptimo, las compañías como broadcom, buffalo ya han empezado a trabajar con sus dispositivos con este tipo de protocolo.

COMO SE REALIZA LA CONEXIÓN DE 2 EQUIPO CON ESTE PROTOCOLO:

802.11 ac presenta una variedad de modos y características que pueden proporcionar desempeños de hasta 1,3 Gbps como velocidad superior. Para ello utiliza la configuración Multiple-Input Multiple-Output o MIMO (entradas múltiples, salidas múltiples) es una tecnología de antenas inteligentes, la tecnología MIMO emplea varias antenas tanto en el transmisor como en el receptor, para un mismo ancho de banda y potencia transmitida consigue mejores resultados que los sistemas SISO (single-input single-output).

MODELO OSI PARA ESTE PROTOCOLO:

Este protocolo está constituido por dos capas inferiores del modelo OSI como los demás estándares IEEE 802.11.

1.- Nivel Físico: define la modulación de las ondas de radio y las características de señalización para la transmisión de datos.

2.- Nivel Enlace de Datos: define un interfaz entre el canal y la capa física.

TRAMAS:

Utiliza tres tramas de estación:

1.- Tramas de Gestión: Se utiliza para la comunicación inicial entre las estaciones y puntos de acceso.

2.- Tramas de Control: Se utiliza para acezar al canal.

3.- Tramas de Datos: Se utiliza para transportar datos.

CONCLUSION:

El protocolo HART es utilizado para la comunicación entre dispositivos inteligentes que hoy en día están pasando a sustituir los dispositivos comunes y en cuanto al protocolo IEEE 802.11ac permite una comunicación superior debido a la utilización de varias antenas de bidireccionales al mismo tiempo.

Diapositivas

Protocolo HART E IEEE 802

Equipo 2

Diego Paulino Gómez Tapia-Líder

Juan Carlos Barrientos Carranco-Secretario

Mariano Calderón Buenavista-Cronometrista

Juan Rodolfo Flores Rivera-Integrante

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